基于大自然特性的导航科学在科研领域扮演着十分重要的角色,具有非常重要的应用价值,目前导航科学在军事及民用领域都有着广泛的应用。近些年来,基于天空光偏振分布模式对称特性,以对称线—太阳子午线为基准来获取方向信息的新型偏振导航方法成为了偏振光导航研究领域的热点,此种航向信息获取方法由于利用全天域偏振信息,具有稳定性高,抗干扰能力强等优势,在军事和民用导航领域具有深远的研究价值。目前大多数的成像式偏振导航算法是利用偏振方位角图像的对称性,对太阳子午线进行近似提取,保留太阳子午线及其附近一定区域内的偏振信息。此种方法优势在于其便利性以及处理数据较少,计算较快,但是丢失了偏振图像中大部分的偏振信息,鲁棒性差,计算误差较大等。本文针对以上情况,提出了一种适用于各种成像式偏振导航传感器的太阳子午线相对转角估计算法。不同于以前的算法,本文算法是基于整幅偏振图像,以图像的最小单位像素为研究对象,大大提高了偏振图像中偏振信息的利用率。首先,在偏振方位角图像上建立极坐标系,使得偏振方位角图像中的每一个像素点在极坐标系中都可以用极径和极角表示。建立极坐标系的目的是把偏振图像上的每一个像素点都能建立与极径、极角的一一对应关系,为单像素环的提取打下基础。然后进行单像素环提取的过程,在极坐标系的基础上遍历整幅偏振方位角图像,以某一个极径为半径,提取该极径下的单像素环。然后遍历整幅偏振图像,进行像素点的匹配工作,整个过程包括内层某一极径下的单像素环的像素点匹配,以及外层所有像素环上的匹配。这样就把整幅图像绝大多数的像素点进行了计算,也就大大提高了偏振信息的利用率。为了保证在遍历过程中算法的效率,本文进行了算法搜索过程的制表法优化,大大提高了算法的运算效率。最后本文分别进行了仿真实验以及室外静态、动态实验。仿真实验利用构造的偏振方位角图像分别讨论了不同图像灰度分辨率下对算法计算结果的影响,实验表明灰度分辨率的提高有助于提高算法精度;室外静态实验是在室外空旷环境下,利用课题组的全偏振成像探测器采集不同时刻的天空偏振图像进行处理,验证本文算法的室外可行性,实验表明室外静态实验本文算法的误差在0.63°以内;室外动态实验利用转台搭载该偏振信息采集装置转动采集天空偏振图像,利用坐标转换前的偏振方位角作为本次实验的真实值进行对比,实验结果中本文算法的误差在-0.7°~+0.5°之间,从而证明本文算法的可行性及鲁棒性。