本文建立了一个天基低轨红外卫星的观测模型。假设红外传感器无法观测以地球为背景的目标，通过卫星、目标和地球的几何关系给出了传感器对观测目标的可视性原则。引入了红外传感器作用距离公式，根据目标的温度、面积等信息动态计算传感器的探测距离。由于红外传感器只能获取对目标的角度信息，单颗卫星无法对目标进行定位，因此本文引入了基于最小二乘法的多传感器跟踪方法对目标进行交叉定位。在获取观测信息后，使用扩展卡尔曼滤波器对卫星位置误差、姿态误差、传感器指向误差、像元分辨率等引起的观测误差进行平滑，以获得更好的观测结果。最后，给出了一个24/3/1构型的低轨星座对一条低轨道外大气层目标的观测仿真算例，结果显示，卫星在整条轨迹上均能对目标进行观测，扩展卡尔曼滤波可以大幅度减小观测误差。