当前,各航天大国纷纷在航天器的空间交互、在轨对接、在轨服务等方面进行布局,航天器空间任务的研发极耗资源,设计能够在地面对航天器在轨交互进行充分模拟试验的仿真系统,能够有效降低航天器在轨服务研究的研发费用,保障此类任务的安全性和可靠性,具有深远意义。航天器在轨服务系统中,服务航天器和目标航天器的相对运动及姿轨控算法是根本,在轨服务单元与航天器的协同配合是关键,实现这些核心技术需要进行大量试验并分析验证其可行性。本文针对航天器在轨服务核心技术的研发和验证需求,设计航天器在轨服务六自由度运动仿真系统,并对所设计的系统使用两种方法进行效能评估,以评估该仿真方案试验结果的可信任度,为航天器在轨服务核心技术的研发提供地面仿真方案。首先,针对航天器在轨服务的高成本高风险性问题,总结了该领域国内外的研究现状,研究了航天器在轨服务六自由度运动仿真系统设计问题。定义了航天器相对运动中所需坐标系,建立相对运动的轨道动力学模型,完成C-W方程的简单推导并求得其解析解;将整个仿真系统分为四部分,分别设计各部分的组成结构及实现方案;航天器在轨运行的实际环境与地面仿真环境存在巨大差异,为在轨服务地面仿真系统设计时空缩比方案并分析其带来的缩比误差,确保缩比方案的可行性。然后,针对航天器空间运动的无重力环境,为航天器模拟器设计六自由度微重力模拟系统。整体分为水平气浮分系统、垂向气-电并联分系统、航天器模拟器三维转动分系统,分别设计其系统结构;其中垂直方向的重力卸载是该微重力模拟系统的研究重点,建立低摩擦活塞气缸系统和电机直线驱动滚珠丝杠系统的动力学模型,为后文垂向重力卸载控制算法的设计与仿真验证奠定理论基础。其次,为航天器模拟器的垂向重力卸载,针对微重力模拟系统中的气-电“并联”子系统,研究控制算法。活塞气缸系统作为典型的非线性系统,通过分析其动力学模型,将对模拟器的重力平衡转化为对其垂向位移轨迹的实时跟踪,采用传统滑模控制并分析控制器稳定性,其次设计非奇异Terminal滑模控制器,保证系统跟踪误差在有限时间内收敛至零;基于对气动系统的控制研究,为电动系统设计指数趋近的滑模控制器,与未规定趋近律的滑模控制器相比有效提高系统响应速度、减小轨迹跟踪误差;最后为气-电“并联”子系统设计交叉耦合控制算法,减小了气动系统和电动系统之间的轨迹跟踪差。最后,研究了该仿真系统的效能评估方法。阐述了层次分析法效能评估的原理和实现步骤,为本文所设计的仿真系统建立层次模型、分析各分系统的相似性、最终完成整体系统的效能评估;基于层次分析法的不足,使用改进信息熵法对仿真系统再次进行效能评估,对特定仿真任务建立信息流图、确定系统节点的影响因素、给出效能评估结果,此方法再次证明了仿真系统的可行性,并且从评估结果验证两种评估方法的优劣。