本发明提供了悬挂气浮组合式三维微重力模拟装置与方法，属于微重力模拟以及伺服控制技术领域。本发明垂向气缸和水平气足支持模拟飞行器，Z轴伺服电机通过悬线与模拟飞行器连接，X、Y轴伺服电机驱动二维移动平台在X、Y方向运动；模拟自由运动时，垂向气缸和水平气足平衡一部分重力，同时工业相机实时测量模拟飞行器位置，驱动X、Y轴伺服电机使二维移动平台跟随模拟飞行器，保持悬线竖直，通过拉力传感器测量拉力信息，驱动Z轴伺服电机确保补偿变质量模拟飞行器的重力。本发明能实时提供变质量模拟飞行器的三维微重力模拟环境，解决垂向微重力模拟初始状态给定困难问题，具有承载负载大、动力学仿真行程长、跟踪快速、模拟精度高等优点。