本发明提供了一种基于多自由度运动模拟器的多航天器姿轨控地面全物理仿真系统，属于飞行器地面仿真试验领域。本发明多自由度双星伴飞模拟器模拟追踪星和目标星的伴飞运动。台上姿轨控制系统控制追踪星和目标星按指令达到预期的运行状态。动力学仿真机实时模拟两星在轨轨道/姿态动力学。相对导航系统感知两星相对运动状态，并对感知结果进行导航解算。无线数据传输系统实现台上台下系统间的数据交互。视景演示系统通过专业软件模拟运动模拟器的实时工况。本发明采用两台哑铃型气浮台模拟追踪星和目标星的姿态运动，从而实现平面两个自由度和姿态三个自由度的运动模拟，能够达到高精度仿真的目的，为小卫星伴飞控制方案验证提供了可靠的平台。