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跟踪与数据中继卫星工作在空间微重力环境中，用于为卫星之间，卫星与其他空间设备之间，或是空间设备与地面观测站之间提供跟踪与数据中继服务。为了建立和保持设备间的链路，需要根据目标位置实时调整中继卫星天线的指向，天线指向机构作为实现这一功能的部件，其性能直接影响中继卫星的服务质量。由于发射卫星是高成本的项目，为保证中继卫星能够有效完成预定任务，需要在发射前对卫星进行全面测试，其中天线指向机构作为建立设备间链路的硬件基础，同样需要在发射前对其进行性能测试。为了在地面搭建类似于太空中的微重力环境，测试天线指向机构的性能，需要对指向机构的两个关节分别进行重力卸载，还需要在质量、惯量、频率等多个约束下设计模拟负载用于代替卫星天线。论文首先对各种微重力环境的实现方法进行了梳理归纳，分析了各自的实现机理和优缺点，通过比较选择气浮方式搭建微重力试验台。针对天线指向机构的结构特点和性能测试的要求，开展用于卫星天线指向机构的气浮微重力试验台设计，并开展相关研究，主要包括以下几个方面: 首先，根据天线指向机构的特点和性能测试的要求，提出了一种分级同步重力卸载方法，对卫星天线指向机构的两个关节分别进行重力卸载，设计了模拟负载代替卫星天线进行指向机构的性能测试。天线指向机构由两个正交关节组成，为了在地面模拟其运行的微重力环境，需要分别对两个关节的重力进行卸载。通过对已有气浮试验台和各种气浮元器件的分析，提出了一种分级同步重力卸载方法，采用气浮垫和气浮主轴实现对天线指向机构及模拟负载的重力卸载。为真实的反映卫星天线的物理特性，基于质量、惯量和频率约束设计了模拟负载，解决了两个关节转动惯量的耦合问题，并根据该设计过程提出了一种基于给定频率的结构设计方法。通过对气浮微重力试验台的结构设计和ADAMS中的仿真，初步验证了该重力卸载方法的正确性和有效性。 其次，对地面试验台和空间中的运行状态分别建立了运动学、动力学模型，并进行了相似性分析，对所提出的分级同步重力卸载方法进行理论上的验证。在对重力卸载方法的分析和试验台结构设计的基础上，采用D-H参数法和牛顿-欧拉法推导了运动学和动力学模型。为模拟微重力环境，引入了多处卸载力，其目的是卸载掉重力对关节受力和力矩的影响，因此在牛顿-欧拉法推导运动学模型时，对相关连杆的受力平衡方程进行了修正。通过对天线指向机构的两个关节受力和力矩的比较，进一步验证了卸载方法的有效性。在动力学模型的基础上，用相似性原理推导了空间模型和气浮试验台模型的相似准则，并用相似度分析方法分析了二者的相似程度，从另一个方面给出了气浮试验台测试数据的可靠程度。 再次，对气浮试验台的重力卸载精度及多个影响因素进行定量分析，对气浮试验台本身的性能进行评价。气浮试验台需要完成天线指向机构的重力卸载和性能测试，主要包括两个关节的转角精度和输出力矩，其中能够反映重力卸载精度的主要是关节输出力矩。因此对影响关节驱动力矩的多个因素进行分析，包括:可调弹簧机构的弹力、水平轴负载平衡程度、水平关节与气浮主轴同轴度、气浮垫与气浮主轴的粘滞阻力、花岗岩平台的水平程度。通过层次分析法，得出各个影响因素的权重系数，求得试验台的重力卸载精度。 最后，根据设计的试验台结构，搭建了气浮试验台并进行了实验研究。进行了花岗岩台面水平程度的测量、通过气路的通断测试了气浮元器件的有效性、对气浮主轴和其两端的连接件进行了同轴度测量、测试了水平轴负载的不平衡力矩，最后通过在试验台上测量两个关节的输出力矩并与理论值对比，得出了试验台的重力卸载精度。通过实验，进一步证明了卸载方法和仿真及理论分析的正确性。 本文的主要贡献及创新点包括:(1)提出了一种分级同步重力卸载方法，该方法能够对卫星天线指向机构的两个关节分别进行重力卸载，在地面提供其运行的微重力环境;(2)设计了一种负载结构，能够对两个串联的正交关节的转动惯量解耦;提出了一种基于给定频率的结构优化设计方法，能够在给定质量、惯量及频率的约束下完成结构设计;(3)对牛顿-欧拉法推导动力学模型过程中的受力平衡方程进行修正，增加了卸载力对应的项目，明确了卸载力的作用。