本发明公开了一种光学空间定位系统及其空间定位方法。本发明系统由至少三组轮胎面透镜和线阵感光元件构成的探测单元组成。轮胎面透镜将空间中的点光源发出的光线汇聚为线状,并被线阵感光元件所接收,线阵感光元件位于轮胎面透镜的环绕中心;由至少三个轮胎面透镜以及线阵感光元件组成的探测单元在空间中非平行排列,通过获得空间中的点光源发出的光与每个探测单元中的线阵感光元件的交点位置坐标,计算出空间点光源相对于探测器的位置。本发明能够实现大范围空间位置的高精度探测功能,且成本低廉。该发明属于空间定位领域。