本发明涉及一种应用于车载定向测量的光学成像系统，包括三胶合前物镜、中调焦镜、后补偿镜、分段减光镜、分光棱镜、照明光源、十字狭缝和低照度CMOS；所述三胶合前物镜用于对被测目标光线进行收集并消除部分光学像差；该三胶合前物镜与中调焦镜相连接，该中调焦镜用于对不同物距的目标进行调焦；该中调焦镜与后补偿镜相连接，该后补偿镜用于对成像像面的焦面位置偏差进行补偿；该后补偿镜与分段减光镜相连接，该分段减光镜用于目标定向、观星定向和观日定向。本发明可实现目标定向、观星定向及观日定向测量功能。