飞机在空中飞行时的三维姿态角(俯仰角、偏航角、滚动角)是表征飞行状态的重要参数,其精确测量在飞机的训练试验、事故分析等领域内有非常重要的价值。使用精度高,非接触和成本低的姿态外测系统来精确测量飞机的姿态角度受到越来越多的关注。光电经纬仪作为外测设备,它的特点是实时动态地跟踪飞行目标,拍摄目标运动的图像,这样的特点极大的方便了研究人员分析飞机的三维姿态角。所以当前需要迫切解决的问题是如何利用光电经纬仪获取的飞机图像分析其飞行三维姿态。本文研究了如何从光电经纬仪参数及其拍摄的飞机图像等信息求解飞机目标的三维姿态,完成的主要工作包括以下几个方面：1.研究了国内外的相关工作和技术发展,并对姿态算法进行了综述。2.建立了姿态测量的模型。包括建立了坐标系和飞机模型,及其他模型参数的实现,推导了三维软件模拟成像原理和相机成像模型原理的上一致性,从而建立了对仿真3D飞机的测姿模型。3.针对本文应用的背景,提出了基于特征直线先求解单站和多站的姿态初值,再利用正交迭代方法迭代优化直线的空间误差求解姿态终值的姿态测量算法。4.基于姿态测量的模型,搭建了算法仿真实验的平台,对算法进行了仿真,得到了良好的实验结果；建立了算法的理论误差模型,定量给出了算法精度的评价准则,通过理论分析了不同的误差源对测量精度的影响。