本发明涉及一种三维四轮定位仪及其测量方法。所述三维四轮定位仪包括顶梁、摄像机、轨道平台、固定架、反光标靶、显示设备和主机,所述固定架将所述反光标靶固定安装在多个轮胎上;所述反光标靶上设有两个两种不同颜色交错的方块图案和位于反光标靶中心的正弦块图案,且所述两个方块图案被所述正弦块图案分隔;所述摄像机用于采集所述反光标靶,得到包含所述方块图案和正弦块图案的标靶图像;所述主机用于对所述标靶图像进行处理,得到轮胎的定位参数,根据所述定位参数得到轮胎相应的三维姿态;所述显示设备显示轮胎的三维姿态。上述三维四轮定位仪及其测量方法,包含的标靶特征点很多,根据该图像得到的定位参数更加准确,提高了测量的准确性。