本发明公开了一种基于激光跟踪仪的航天器大尺寸机械基准建立方法和系统，该方法包括：设置N个销孔和两个靶标球；调整激光跟踪仪至设定站位；采集得到各销孔的坐标值、两个靶标球在立方镜两个正交镜面的实点和反射点的坐标值；根据采集得到的销孔的坐标值，通过最小二乘法拟合得到整星机械坐标系；根据采集得到的立方镜两个正交镜面的实点和反射点的坐标值，通过向量叉乘得到立方镜本体坐标系；解算出整星机械坐标系与立方镜本体坐标系的角度关系。本发明解决了大尺寸非圆环式航天器机械坐标系转移过程中辅助工装加工难度问题，避免了经纬仪测量系统瞄准机械轴过程的复杂操作过程，减少了经纬仪测量过程的人为操作因素干扰。