近年来，随着国内外的多项引力波探测计划的提出与实施，无拖曳卫星正 逐渐成为愈发重要的研究热点。无拖曳卫星不仅在引力波探测中具有关键作用， 而且在地球重力场的测量和等效原理的验证等科学领域具有极其重要的应用价 值。为确保无拖曳控制相关技术在轨运行的可靠性，通常需要进行严格的地面 演示验证。因此，本研究以双检验质量无拖曳控制的地面仿真为核心，建立了 地面模型与空间原型之间的动力学相似理论，设计并搭建了一套无拖曳卫星平 台的地面仿真实验系统，并利用冗余推力器布局的设计提高了系统的稳定性和 可靠性。

首先，根据牛顿欧拉方程，推导了双检验质量无拖曳卫星平台和检验质量 的绝对动力学模型，包括给轨道动力学模型和姿态动力学模型。并且在刚体力 学的基础上，利用坐标转换推导出了二者的相对平动动力学和转动动力学模型。 另外，考虑检验质量与卫星平台的电磁强度和运动耦合等作用，将其设定为刚度项和干扰项，简化为线性动力学模型。而由于地面环境的限制，给出了无拖 曳卫星平台的平面动力学方程模型以及检验质量的敏感轴方向的动力学方程。 本文依据 Pi 定理推导出了地面仿真平台可以再现原型系统动力学行为的动力学 等效条件。

其次，提出了一种与无拖曳卫星平面动力学相似的地面模型设计方法，平 面气浮台等效卫星平台的平面运动，倒立摆的小角度转动等效检验质量敏感轴 方向的运动。本文利用欧拉拉格朗日方程推导了地面仿真平台的动力学模型， 并利用小角度近似简化动力学方程，同时对应原型系统的动力学特征，本文提 出了倒立摆的等效质量和等效刚度的概念，建立了与原型系统相似的动力学方 程，并根据动力学等效条件推导了二者的相似律，以此合理争取的等效缩放原 型系统各参数。同时将相似理论应用到控制器的设计中，推导出控制相似律， 并设计了闭环仿真验证方案，数值仿真的结果验证了相似设计方法的合理性。

然后，提出了一种提高控制精度的冗余推力器布局设计方法。推力器产生 的主动控制力与控制指令之间存在分配过程，此过程中控制系统存在分配误差。 本文通过理论分析出分配误差的主要影响因素，包括推力器的数目、安装位置 和角度等。基于此分析，提出了一种与分配误差相关的布局影响因子 TCF （Thruster Configuration Factor），并通过理论分析检验了其与推力器数目和构型 的相关性，可以将 TCF 作为减小误差的优化指标。另外，根据最小冗余度系统 的定义，推导出对应冗余度所需最少推力器数目的判断准则，并给出了给定推 力器布局的冗余度验算方法。以太极计划无拖曳卫星为仿真案例，设计了多种冗余推力器布局，数值仿真的结果验证了 TCF 与分配误差的正相关性，推力器 故障下的仿真结果说明了冗余推力器布局的容错能力。

最后，设计并搭建了一套等效无拖曳卫星平台的地面气浮仿真平台并进行 实验验证相似性。根据动力学等效条件，推导了等效无拖曳卫星平台的相似律， 给出了地面相似指标的设计方法。确定气浮台设计搭建的必要因素，包括干扰 力分析和气浮台系统的质量参数，推导出基本比例因子，以此确定系统的相似 律。基于冗余推力器布局的设计方案，利用干扰力分析得到推力器的推力需求， 并设计了连续可调和 ON-OFF 两种冷气推力器，利用水平扭摆进行推力测量标 定。组装地面半物理仿真实验平台，搭建上位机用户交互界面和控制系统，进 行地面实验。冗余推力器布局的气浮台在地面实验中稳定控制，验证了推力器 布局优化方法的合理性，另外结合倒立摆的地面跟踪实验有效模拟了位移无拖 曳工作模式下的系统动力学行为，并且地面实验结果满足地面相似控制指标需 求，验证了地面模型系统相似设计的可行性。同时，地面实验结果也显示了连 续可调推力器对气浮台控制性能的优越性。