本发明公开了一种三维姿态角的测量方法，将两路平行光线经针孔光阑在图像传感器上形成光斑图像；对所有光斑进行分组识别，根据两路平行光线各自对应的光斑质心坐标分别获得对应的二维姿态角；之后根据两路平行光线各自对应的二维姿态角，基于双矢量定姿原理得到三维姿态角；本发明同时还公开了一种三维姿态角的测量系统，通过本发明的方案，使三维姿态角的测量能够达到大量程的测角范围；并且，由于采用两路平行光线和针孔光阑作为光学系统，使系统的设计与工作距离无关。