随着空间科学技术的不断发展进步,世界各国越来越重视空间资源的开发与利用,空间飞行器的交会对接、空间站建立、深空探测等技术已经成为研究的重点。因此,利用地面模拟器进行空间任务的物理仿真,以及应用模拟器完善在轨维护与服务等技术越来越重要,在我国未来的空间任务中扮演着十分重要的角色。本文针对五自由度模拟器研制和试验中的问题,进行了五自由度模拟器的整体方案设计。针对竖直方向自由度扩展,设计了多种重力补偿方案。对其关键机械结构,如气垫、球轴承、冷喷气系统的构成以及参数进行了详细分析。之后,为了消除模拟器的主要干扰力矩——重力力矩,设计分析了自动平衡系统,包括该系统的主要实现功能及硬件构成等。进一步设计了五自由度模拟器的自动平衡的控制算法,并对控制过程中所需的软硬件构成进行了分析。针对五自由度模拟器姿态和轨迹控制的地面演示验证需求,分析设计了五自由度模拟器的推力和力矩的控制策略,包括对推力执行机构的分配和合成。针对五自由度模拟器开展卫星交会对接试验,对五自由度的三轴姿态角控制以及位置路径规划进行了详细分析,设计了一种快速稳定的控制算法,提高了五自由度模拟器在空间交会对接过程中的试验效率以及位姿机动精度。最后对设计完成的五自由度模拟器进行了一系列实验,包括自动配平实验、位置逼近实验、绕飞实验。验证了本文提出的自动配平控制系统、推力分配控制策略以及路径规划方法的正确性。