针对星空背景下目标相似度高、数量大和误检数目较多所导致的空中红外多目标跟踪困难问题，提出基于分层数据关联的空中红外多目标在线跟踪方法。首先，根据红外场景特性来提取目标的位置特征、灰度特征和尺度特征；其次，综合这三个特征来计算目标与轨迹之间的初步关联关系以获得真实目标；再次，将所获得的真实目标按照尺度大小分类，大尺度类目标数据关联采用表观特征、运动特征、尺度特征三种特征相加的方法来计算，小尺度类目标数据关联采用表观特征与运动特征两种特征相乘的方法来计算；最后，根据匈牙利算法对两类目标分别进行目标分配、完成轨迹更新。多种复杂情况下的实验结果表明：与仅采用运动特征的在线跟踪方法相比，所提方法的跟踪准确率提升了12.6%；与采用多特征融合的方法相比，所提方法的分层数据关联不仅提高了跟踪速度，也使跟踪准确率提升了19.6%。综上，该方法不仅跟踪精度高，而且具有较好的实时性和抗干扰能力。