L'invention concerne un procédé d'estimation du mouvement d'un instrument d'observation (10) embarqué dans un véhicule survolant un corps céleste, l'instrument d'observation (10) comportant au moins deux barrettes (b1, b2) dont les lignes de visée sont différentes, chaque barrette réalisant l'acquisition successive d'images lignes formant une image composée, des parties des images composées représentant sensiblement une même scène du corps céleste. Le mouvement estimé est déterminé par optimisation d'une fonction de ressemblance image associant, à une hypothèse de mouvement donnée, une ressemblance entre des valeurs de pixels mis en correspondance d'au moins une paire d'images composées et, pour chaque hypothèse de mouvement considérée au cours de l'optimisation de la fonction de ressemblance image, le procédé comporte les étapes (200) de détermination, pour au moins une paire d'images composées, d'au moins une transformation spatio-temporelle en fonction de l'hypothèse de mouvement considérée et d'un modèle géométrique de l'instrument d'observation (10), et (201 ) de mise en correspondance des pixels d'au moins une paire d'images composées au moyen d'au moins une transformation spatio-temporelle.