能够水平起降的组合动力空天飞行器相比于传统火箭发射窗口增大,可重复使用的特性也降低了发射成本,具备战时执行紧急入轨的能力;同时,组合动力空天飞行器还可以作为高超声速飞机使用,能够对于高威胁区域进行抵近快速侦察,还可以携带武器执行快速打击任务。因此,组合动力空天飞行器近年来越来越受到世界各国的重视。爬升段是组合动力空天飞行器能否成功执行后续任务的关键,轨迹设计与优化是开展后续跟踪控制的基础。同时,由于组合动力空天飞行器具有强非线性,强耦合性,以及飞行过程中,其执行机构可能存在受限的情况,如何保证其对于制导指令的精确跟踪也是很重要的。因此,本文以组合动力空天飞行器为研究对象,考虑其强非线性与执行机构受限情况,围绕其爬升段轨迹优化与跟踪控制问题开展相关研究工作。组合动力空天飞行器爬升段根据动力形式的不同可分为涡喷爬升,涡喷-冲压过渡爬升以及冲压爬升段。首先定义了合适的坐标系,确定了坐标系间转换关系,进而参考国内外同类型飞行器设计了组合动力空天飞行器构型并给出了部分参数。在此基础上,基于牛顿运动定律和矢量微分法则建立了完备的系统运动方程,并建立了组合动力空天飞行器爬升段所受推力和气动力/力矩的模型。紧接着对于组合动力空天飞行器爬升段飞行剖面进行了分析。随后,基于hp自适应Gauss伪谱法和序列二次规划算法对组合动力空天飞行器爬升段飞行轨迹进行了优化。对于hp自适应Gauss伪谱法和序列二次规划算法基本原理进行了介绍,考虑了多种过程约束与终端约束,给出了最优性能指标,并以此为基础进行了爬升段最优轨迹的设计,进而得到了爬升段飞行走廊。仿真结果表明,经高斯伪谱法轨迹优化得到的最优轨迹,可以用于组合动力空天飞行器爬升段,并且可以满足后续任务需求。考虑到爬升段运动轨迹在纵向平面相对剧烈,对于组合动力空天飞行器爬升段运动模型进行了纵向的简化,并基于简化后的模型设计了自抗扰攻角跟踪控制器。由于自抗扰控制器参数较多,参数整定较为复杂,引入粒子群算法优化攻角跟踪控制器参数,随后进行了飞行器执行机构受限情况下的攻角跟踪控制器设计与仿真,最后基于所设计的控制器对轨迹优化得到的最优攻角曲线进行了跟踪。仿真结果表明,经过粒子群优化后,自抗扰攻角跟踪控制器对于攻角的跟踪效果显著,在考虑飞行器执行机构受限情况时,所设计的控制器跟踪效果变化不大,达到了控制器设计的初始目标。