为模拟星球车在低重力环境中的运动性能，需要对星球车进行重力补偿。传统的重力补偿方法是使用吊索向构件质心施加补偿力。由于星球车是多自由度系统，传统补偿方法需使用多根吊索。这给重力补偿的实施带来很大难度。为此，本文前半部分进行单吊索重力补偿的模型和实验研究。按照探月二期需求，重力补偿系统的位置跟踪范围30m×30m，位置跟踪误差小于28mm，恒拉力控制误差小于5‰(1σ)。针对此系统的设计问题，本文后半部分进行大范围重力补偿系统的设计和实验研究。补偿力的约束方程组称为“重力补偿模型”，模型的每一组解都对应一种重力补偿方案。建立重力补偿模型的目的是获得补偿力解系，以获得单吊索的补偿力解。为建立重力补偿模型，首先给出在约束力学体系内建立星球车动力学方程的方法；然后通过对比低重力状态和重力补偿状态的星球车动力学方程，获得补偿力应服从的约束(适用所有悬架构型)。针对只含转动自由度和差速器自由度的星球车，建立了重力补偿模型的表达式。按照星球车的构型特点，分别求解单关节链、多关节链、分叉关节链和差速器耦合关节链的补偿力解系，明确多关节链和分叉关节链的解系独立原则。在此基础上，获得星球车补偿力的解系。在补偿力解系中，总存在一类特殊的解向量。此类解向量中只含一个正分量，其余分量均为负值；正分量对应吊索补偿力，负分量对应配重补偿力，此解即对应“单索重力补偿”。通过向“重力补偿模型”的解系中加入的单索约束条件，得到“单吊索重力补偿模型”的解系。给出六轮和八轮摇臂—转向架式星球车的单索补偿力解系的算例。建立了轮地力模型，在此基础上证明单吊索重力补偿能够准确地模拟星球车轮地力。通过软件仿真，验证了单吊索重力补偿模型的正确性。为避免拆解星球车进行质心测量，提出通过星球车轮地力计算、校正补偿力系的方法；给出轮地力测试台结构。为向星球车车厢内部施加吊索补偿力，利用平行全等体的性质设计了车厢平行吊架，通过平行吊架等效地向车厢内部施加补偿力。为进行星球车重力补偿，研究重力补偿系统的设计方法。针对拉力系统激发位置系统主梁谐振的问题，设计大小电机同轴驱动系统，利用双输入系统等效惯量可变的性质，实现按工作频带配置等效惯量的目的。针对拉力系统马达高频响应滞后的问题，设计主动、被动响应结合的拉力系统：使用恒力机构张紧吊索，大量降低吊索等效刚度，吸收高频拉力干扰。针对位置系统主梁惯性大、运动精度差的问题，设计粗控、精控结合的位置系统。使用天车系统搭载二维跟踪平台，实现大范围的精确位置跟踪。针对位置系统激发主梁横振的问题，为天车系统和二维跟踪平台的距离设置阈值，使天车系统在完全静止和匀速运动两个状态间缓慢、平稳地切换。为验证重力补偿系统的工作性能，进行重力补偿系统性能实验。针对拉力系统，进行星球车平地越硬障碍、下坡越硬障碍、平地过缓坑三组测试。针对位置系统，进行星球车斜穿场地的测试。通过综控系统记录的数据，验证重力补偿系统的工作性能，证明系统设计的正确性。本文建立了单吊索重力补偿模型，给出了单吊索重力补偿的实验方法，解决了大范围重力补偿系统的关键设计问题。本文研究结果成功地应用于探月二期的星球车运动性能测试实验中，实现了大范围、高精度的星球车重力补偿。