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光学测量技术早期采用的是照相方法，至20世纪90年代后期逐步被光学CCD技术所取代。CCD 技术使仪器性能在观测星、跟踪效率和测量精度等方面得到了大幅的提升，使得光学跟踪技术有了飞跃的发展。利用光学手段对空间目标进行跟踪，光照条件是首要问题。空间目标自身不会发光，因而需要被太阳照亮，光电望远镜再通过接收目标反射的可见光（或红外）进行测量。光电观测的主要弱点是不能全天候观测，目标在阴影中无法观测，测站在白天也不能观测。目前在光照条件下也可采用一些新的技术进行观测，主要技术包括利用滤光片技术消减白天的背景或者采用背景辐射较小的红外波段。但是采用这些技术手段对目标等会有很大的限制，因而通常对空间目标观测不在白天开展。
光学望远镜主要由望远镜机架、镜筒、探测器、控制采集设备及数据记录设备等构成。实施跟踪时，望远镜计算机系统根据预报位置计算引导数据，引导望远镜驱动系统跟踪目标，采集CCD图像，采集码盘数据和时标，一并给出轴系定位结果。对于天文定位系统，在处理CCD图像时，还必须给出背景恒星位置，通过目标与定标星的相对位置和星表位置，给出目标的赤经、赤纬。
不同光学望远镜所获取的观测数据类型也是不同的，地平式轴系定位系统获取的是方位角、仰角，而天文定位系统获取的则是赤经、赤纬观测量。
望远镜的跟踪能力与CCD图像的信噪比密切相关，提高跟踪能力的方法主要包括：①扩大望远镜的有效口径；②延长曝光时间；③提升图像处理能力。