本发明公布了一种两步在轨辨识组合航天器转动惯量估计方法，属于航天器导航控制技术领域。该方法通过分析卫星姿态动力学方程，选取航天器某一方向转动惯量作为基准，对航天器转动惯量进行归一化处理，得到了特殊的航天器转动惯量比矩阵，并建立组合航天器姿态动力学模型及系统状态方程和量测方程，得到组合航天器系统状态量，通过EKF滤波估计，对组合航天器转动惯量比矩阵进行辨识；利用得到的转动惯量比矩阵和主动航天器施加的控制力矩，建立最小二乘方程，估计所选取的某一方向转动惯量，最终实现对组合航天器转动惯量地最优估计。本方法将EKF算法与最小二乘算法结合，估计精度高,辨识过程时间短，且消耗燃料少,工程应用性强。