本发明涉及一种非正交轴系激光全站仪的高精度激光束的空间位姿标定方法，包括：采用带有高精度的二维转台和半球形靶标构建标定装置，半球形靶标保持在相机视场即可，半球形靶标固定在光学平台上的靶座上，这样可保证之后半球形靶标的球心与反射型空心靶球球心重合；获取半球形靶标第一个位置在世界坐标系下的三维坐标；任意移动半球形靶标，获取第二个位置在世界坐标系下的三维坐标；重复操作直到获得空间中n个位置的半球形靶标的世界坐标以及精密二维转台对应的俯仰和水平角；将第二个位置到第n个位置的激光束上的固定点坐标通过四元数旋转反求得到在初始位置下的坐标；利用最小二乘法拟合获取激光光束的空间位姿。