本文以X-33飞行器为模型，针对高超声速飞行器爬升段的各种约束条件及干扰因素，对爬升段轨迹进行优化和跟踪。首先，建立飞行器在铅垂平面的运动方程组，并利用公开数据拟合得到精度较高的气动力模型，分析高超声速飞行器爬升段的各种受约束条件，在此基础上设计高度-速度爬升走廊。总结Gauss伪谱法的基本原理与实现方法，通过仿真分析研究初值估计和配点个数的选取对轨迹优化的影响，结果表明不合适的初值估计将造成优化得到轨迹不满足约束条件，配点个数的要综合考虑优化精度和优化时间。然后，采用改进的初值估计和配点个数选取进行最省燃料轨迹优化，优化结果表明改进的初值估计和配点个数的选取在较短的时间得到一条相对精确的轨迹，并对其可行性进行了验证。另外，对运用Gauss伪谱法进行分段轨迹优化需要增加的约束进行分析，在最省燃料爬升的基础上优化设计得到先加速后爬升的飞行方案，同时根据飞行要求设计得到避障飞行方案。最后，综合考虑在爬升过程中受到的各种干扰因素，分析其对飞行参考轨迹的影响，并采用一种基于连续时间预测控制的制导律，来跟踪存在初值干扰的最省燃料爬升轨迹和存在气动系数干扰的避障爬升轨迹，仿真结果表明，与开环制导相比，闭环制导可以有效的减少初值干扰或气动系数误差的系统对飞行轨迹造成的影响。