利用地面仿真設備來研究飛行器控制系統動態性能的技術。仿真設備由電腦和各種物理仿真設備組成，它能類比飛行器、控制系統和各種飛行環境。這些設備不僅用來研究控制系統而且能用來訓練飛行員和太空人。為瞭進行控制系統的仿真研究，需要建立仿真系統，這就首先要確定系統模型並用仿真電腦和各種仿真設備（如運動模擬器，目標模擬器和環境模擬器等）來具體實現這個模型。這樣建成的仿真系統可以重複使用。仿真設備具有通用性，既便於使用又便於維修，比飛行試驗的成本低得多，因而仿真是研究究和設計控制系統的一種有效方法。按照建立模型的性質，可把控制系統的仿真分為數學仿真、半物理仿真和全物理仿真三類。全物理仿真最為逼真，但在控制系統的研制過程中，三種仿真的作用是互相補充的。
數學仿真 也稱計算機仿真，就是在計算機上實現描寫系統物理過程的數學模型，並在這個模型上對系統進行定量的研究和實驗。這種仿真方法常用於系統的方案設計階段和某些不適合做實物仿真的場合（包括某些故障模式）。它的特點是重復性好、精度高、靈活性大、使用方便、成本較低、可以是實時的、也可以是非實時的。數學仿真的逼真度和精度取決於仿真計算機的精度和數學模型的正確性與精確性。數學仿真可采用模擬計算機、數字計算機和數字-模擬混合計算機。
半物理仿真 采用部分物理模型和部分數學模型的仿真。其中物理模型采用控制系統中的實物，系統本身的動態過程則采用數學模型。半物理仿真系統通常由滿足實時性要求的仿真計算機、運動模擬器（一般采用三軸機械轉臺）、目標模擬器、控制臺和部分實物組成。控制系統電子裝置和敏感器安放在轉臺上。
用於姿態控制系統仿真的三軸機械轉臺
半物理仿真的逼真度較高，所以常用來驗證控制系統方案的正確性和可行性，進行故障模式的仿真以及對各研制階段的控制系統進行閉路動態驗收試驗。此外，用航天仿真器來訓練航天員和用飛行仿真器來訓練飛行員也屬於半物理仿真性質，後者更著重於視景模擬和人機關系。以仿真計算機實現系統模型和以航天器計算機或控制系統電子線路為實物的閉路試驗，也可認為是半物理仿真，這種仿真重點在於檢驗控制計算機軟件的正確性或研究控制方式中某些功能和參數。
半物理仿真的逼真度取決於接入的實物部件的多寡、仿真計算機的速度、精度和功能，轉臺和各目標模擬器的性能。通常對三軸機械轉臺的要求是精度高、轉動范圍大、動態響應快和框架佈置不妨礙光學敏感器的視場。半物理仿真技術是現代控制系統仿真技術的發展重點。
全物理仿真 全部采用物理模型的仿真，又稱實物模擬。例如航天器的動態過程用氣浮臺(單軸或三軸)的運動來代替，控制系統采用實物。因為實物是安放在氣浮臺上的，這種方法很適合於研究具有角動量存貯裝置的航天器姿態控制系統的三軸耦合，以及研究控制系統與其他分系統在力學上的動態關系。在對航天器姿態控制系統進行全物理仿真時，安裝在氣浮臺上的實物應包括姿態敏感器（見航天器姿態敏感器）、控制器執行機構（見航天器姿態控制執行機構）和遙測遙控裝置和有關的分系統。目標模擬器、環境模擬器和操作控制臺均設置在地面上。航天器在空間的運動是由氣浮臺來模擬的，所以全物理仿真的逼真度和精度主要取決於氣浮臺的性能。對氣浮臺的要求是空氣軸承的摩擦力矩和渦流力矩小，垂直負載能力和橫向剛度大，氣浮臺動、靜平衡好。全物理仿真技術復雜，一般隻在必要時才采用。