自然光(包括日光和月光)在穿透大气层时将发生散射现象，理论与实验研究表明，散射辐射会发生不同程度的发生偏振，偏振方向总是垂直于入射光与散射光所确定的平面，理论上散射面与太阳光夹角90°的位置上会出现最大程度的偏振，当观测方向偏离太阳而未达到90°时，偏振度会逐渐增大。此后，会逐渐减小。偏振光中带有的方位信息，可以用于定向。

从上个世纪40年代晚期，就有研究者不断发现很多生物眼中的视网膜色素分子偶极轴都是有规律的排列，从而使它们具有偏振光感知能力。如狼蛛、北美大花蝶（monarchbutterflies)可以在白天使用太阳发出的紫外偏振光进行导航。不仅日光可以被用来导航，非洲粪金龟(dungbeetleScarabaeuszambesianus)甚至可以使用弱得多的月光偏振光进行导航，使自己沿直线行走。除此以外，蜜蜂、蚂蚁等许多种类的昆虫和一些两栖动物、鱼都有利用偏振光进行定向的能力。

基于偏振光的定向方法具有不随时间积累发散的特点，但由于只能提供一个参考方向，因此多用于舰船和地面车辆等二维的导航和定向。典型文献中使用的方法只使用3个简单的偏振光测量单元构成偏振光定向子系统，与SINS、GPS组合用于三维空间导航。SINS和GPS一般是飞行器常用导航系统，这种组合并不会给载体带来太大的额外负担。对偏振光／GPS／SINS组合导航系统进行的仿真分析表明，该组合导航可以大大提高系统的姿态测量精度，推广低价惯导的应用领域。模仿复眼进行多模块的偏振光观测可以提高偏振光导航的可用性，提高其姿态观测精度，提高偏振光观测性能的稳定性.