三轴光电跟踪测量系统因其具有过天顶跟踪的优势而被广泛应用，指向测量精度是其重要的性能指标。在制造精度有限的情况下，指向精度的提高主要依赖于软件误差算法的修正。因此，需要通过深入分析影响光电跟踪测量系统指向误差的原因，建立高精度、高稳定性的指向误差修正方法，以提高光电跟踪测量系统的指向精度。然而，目前尚无有效的基于三轴机架的指向误差修正模型。为此，本文在分析三轴光电跟踪测量系统的测量原理和机架结构基础上，研究了影响系统指向精度的各项误差因素以及现有误差模型的原理及不足，建立了具有实际物理意义、修正精度高的分项误差模型，并通过仿真说明了该模型的正确性以及通过外场实验验证了该模型应用在指向修正系统中的有效性。本文首先详细分析了指向修正系统的基本原理，研究了规则三轴机架和偏三轴机架的测量原理，定量分析偏三轴系统中偏距对其指向测量的影响，并将影响三轴光电跟踪测量系统指向精度的误差源进行分析及描述，主要将其分为静态误差源和动态误差源，其中静态误差主要包括轴系误差、编码器误差和轴承误差；动态误差主要包括动态变形误差和跟踪运动过程中的误差等。分析指出，指向修正法中可以对静态系统误差进行有效的修正。然后，通过分析与研究伪球谐函数模型和参数改进模型的基本原理和优缺点，指出了根据三轴的轴系结构和测量原理建立指向模型的必要性。通过四元数旋转变换的方法分析了三轴机架系统的轴系误差、编码器误差对其俯仰角和横倾角的具体影响，在寻求其映射关系的基础上建立了具有实际物理意义的三轴分项误差模型，并采用蒙特卡洛方法对该模型进行仿真验证。仿真结果表明该分项模型具有较好的修正能力，并且在已知方位轴倾斜情况的条件下，该模型适用于方位轴任意位置下的指向修正。最后，将三轴分项误差模型应用在指向修正系统中，通过外场实验数据分析与证明，在方位轴固定的情况下可以将三轴系统的指向误差精度有效的控制在3.5″以内，在恒星数量较少的情况下，该模型也可以保持较高的指向精度和较强的稳定性。并将该模型与伪球谐函数模型和参数改进模型进行比较，分项模型的修正能力和参数改进模型相当，而稳定性最好，伪球谐函数在修正能力和稳定性方面均逊于两者。