伴随空间飞行器编队技术和智能控制算法的迅猛发展,为完成空间飞行器编队控制、空间机器人智能抓捕等任务,设计能充分模拟太空环境的空间飞行器地面仿真系统,具有十分重要的意义。在空间飞行器地面仿真实验中,减轻重力效应营造微重力环境对空间飞行器的结构测试、控制算法验证等具有决定性的作用。在这种背景下,本文针对空间飞行器在轨三维运动以及被空间机器人捕获等任务,设计一套空间飞行器三维微重力模拟地面仿真系统方案,并主要针对垂向重力补偿系统进行控制算法的设计与仿真分析,为改善所设计系统的缺点,提高垂向重力补偿系统的性能,研究一种新的技术方案弥补了原方法的不足之处。本文首先研究了国内外仿真技术和空间微重力模拟的研究现状。在综合各种空间微重力模拟方法的优缺点和应用场景后,设计了一种基于垂向一维气动主动和水平二维气浮被动的空间飞行器三维微重力模拟方法,在介绍该方法的基本工作原理上,完成了基于此方法的空间飞行器三维微重力地面模拟系统的设计方案;建立了垂向气动主动控制系统的动力学、气动热力学等模型,为之后的垂向气动主动系统的控制算法设计与仿真分析提供理论基础。然后,研究了垂向气动微重力模拟系统的线性模型并针对该线性模型进行了控制算法设计与仿真分析。在建立垂向气动微重力模拟系统的模型基础上,确定了垂向气动微重力模拟系统的瞬时工作点线性化模型;综合考虑控制器设计的实际工程意义,分析了线性模型后对其进行了降阶处理,得到了系统垂向位移和垂向力模型;针对降阶后的垂向位移模型,设计了Simth预估控制器,并与传统PID控制器进行了仿真对比分析。其次,研究了强耦合非线性的垂向气动微重力模拟系统模型并针对该非线性模型设计了非线性控制算法。为提高控制系统的鲁棒性,采用了传统的滑模控制算法并分析了控制系统的稳定性,同时进行了仿真;为解决传统滑模控制算法中到达滑模面阶段鲁棒性较差的问题,采用了线性积分滑模控制算法和非线性积分滑模控制算法并分析了控制系统的稳定性,同时搭建仿真模型进行了对比分析;为减少传感器的数量,分析了系统的能观性,设计了GPI状态观测器。最后,为改善基于垂向气动的微重力模拟系统的不足之处,研究了一种悬挂气动组合式三维微重力模拟方法。首先分析了原微重力模拟系统响应速度慢的问题,针对该问题设计了悬挂组合式三维微重力模拟系统并阐述了新方法的基本工作原理;其次依据所设计的悬挂组合式三维微重力模拟系统建立了垂向动力学和水平二维悬挂随动模型,为简化控制器设计,对水平二维悬挂随动模型进行了线性化处理;最后在所提出的新方案中,重点针对水平二维随动跟踪关键技术进行了算法设计。