现代卫星导航技术,例如中国的北斗导航系统、美国的GPS导航系统等,已经能够满足人们对全球定位导航的各种需求。但是,在军事冲突等特殊情况下,人造卫星导航信号容易受到干扰或者诱导,导致飞机、舰船等丢失自身在地球上的位置信息,从而无法到达预定的目的地,甚至由于位置信息被恶意篡改,而到达对自己非常不利的地理位置。在这种情况下,需要自主导航技术作为卫星导航技术的应急或者替代方案,来满足卫星拒止条件下全球定位导航的需求。本文在分析人类现有自主全球定位技术和生物自主导航能力的基础上,提出一种基于地球偏振光场及其他信息的全自主全球定位方法,该方法具有全自主和无误差积累的特点。此外,本研究对于生物学家探索生物的长距离导航机理和野生迁徙动物的保护具有一定科学价值。首先,详细分析了基于Rayleigh散射模型的地球偏振光场的特性,揭示了地球偏振光场的共面性,进一步完善了基于Rayleigh散射模型的地球偏振光场的特性描述。然后,提出了一种基于地球偏振光场及其他自主信息的全球定位导航方法。研究结果表明,该方法的数学本质是利用地球偏振光场及其他地球物理场提供的导航矢量融合为一个中间导航矢量,即自主地球场导航矢量,最终解算出全球位置信息。此外,建立了自主全球定位导航方法的全球误差模型,并给出了误差传递规律。开发了验证实验装置,通过室外实验验证了该方法的可行性。其次,为开发全球定位样机,对单观测方向偏振光传感器进行优化设计,提出一种基于积分球中心对称性的标定方法。标定后,传感器的室内精度达到±0.009°。在晴朗天空的条件下,标定后的室外精度达到±0.05°。同时,还对比分析了室内和室外的标定参数对测角精度的影响。结果表明,室外导航时,大部分参数可直接使用室内标定结果,少部分参数仍需要使用室外标定参数。再次,基于地球偏振光场的共面性,提出了一种天空偏振矢量正交算法。同时,利用共面性将三维问题转化为二维问题,极大地降低了仿真计算的复杂度和耗时。仿真结果表明,本算法优于两种传统的最小二乘算法,具有更好的鲁棒性。此外,对地球偏振光场探测装置进行了改进与标定。实验结果验证了所提算法的有效性和鲁棒性。最后,根据全球误差模型以及天空偏振矢量正交算法的仿真结果,开发了全球定位样机。实验结果表明,全球定位样机的定位精度为45 km/1σ。