天基光学监视系统能够合理利用卫星的强时空覆盖能力,是守卫本土安全的一条坚固壁垒,也是未来战争中至关重要的一环,因而得到了各军事强国的广泛关注。天基光学监视系统中高轨部分用于发现目标,中低轨则进行后续的跟踪和识别任务,常规的中低轨星座为了满足全球的连续覆盖,星座规模庞大,难以实现工程应用。有限规模中低轨星座则成为了目前工程应用的趋势,但由于卫星资源有限,无法实现连续的时空覆盖,导致在小规模星座体制下,经典的跟踪方法无法适用。本文针对特定中低轨有限规模星座进行覆盖分析,得到了其跟踪覆盖特性,并以此为依据提出了一种适应于天基光学监视系统的跟踪方法。论文主要有以下几个部分:研究了天基光学系统的应用背景,介绍了构建有限规模中低轨星座的实际意义,以及星座三维跟踪的技术手段。同时还介绍了天基光学监视系统中的常用的星座构型、相关的坐标系理论知识和系统观测的主要目标的运动特性。在特定的有限规模Walker星座上进行实验,仿真分析了有限规模星座的覆盖特性,总结了覆盖持续时长、覆盖间隙时长以及覆盖转换特性的变化规律,得出了有限规模星座下跟踪所面临的实际问题。为了解决有限规模中低轨星座体制下跟踪的发散问题,将激光雷达测距引入到有限规模星座下的目标跟踪方法中,通过增加测距信息量的方式促进跟踪收敛。实验验证了引入距离量后的目标跟踪方法的有效性,解决了有限规模星座下跟踪面临的严重发散问题。在光学监视系统中引入激光测距,并提出了基于权值匹配的稀疏超分辨激光引导测距方法,该方法通过增加傅里叶匹配算子从而减弱了稀疏超分辨过程中散粒噪声的影响。提出了基于线型粒子的粒子滤波激光数据提取方法,该方法对强杂波的适应性较强,在一定规模的粒子数下能够对测距数据准确且实时的提取。本文作为有限规模星座跟踪问题的一个探索性的研究,解决了天基有限规模星座体制下所面临的跟踪问题,使得有限规模星座的实际应用存在了较大的可能性。