空间目标多模态信息融合光电探测定位定轨装置和方法，涉及空间目标光学探测领域。解决现有空间目标探测方法存在目标信息获取有限、单端探测设备探测精度低的问题。所述方法包括：激光器发射测距激光，激光通过分光镜、卡塞格林望远镜射出；调动卡塞格林望远镜对准目标并接收测距激光回波；分光镜将激光传输到激光测距单元中进行测距，获得目标距离信息；采集分光镜中可见光分束，对目标进行成像，获取目标二维位置信息；目标轨迹点进行坐标变换，获取世界坐标系坐标；将世界坐标系上坐标点通过轨迹拟合子系统进行拟合；编码器单元输出脱靶量至计算机单元，根据脱靶量跟踪目标，记录脱靶量，在坐标转换时进行修正。应用于卫星探测领域。