高超声速滑翔飞行器具有空域大、速域广的飞行特点,具备快速全球打击能力,是目前各国的研究重点。滑翔飞行器飞行过程约束条件多,飞行环境复杂。基于轨迹优化的最优制导方法可以根据飞行器的实时飞行状态与约束条件,在线轨迹优化,生成满足任务需求的制导指令,克服飞行过程中偏差与扰动的影响,其高自适应性与强鲁棒性是传统制导方法所不具有的。因此,针对高超声速滑翔飞行器,本文将开展轨迹优化设计与基于轨迹优化方法的最优制导方法的研究。本文详细调研了国内外高超声速飞行器的发展历程,对轨迹优化与再入制导理论体系进行梳理,分析了各种轨迹优化方法的适用性及再入制导方法的优势,为研究工作的开展提供参考。针对本文研究的轨迹优化问题,首先介绍了常用坐标系的定义与转化关系,之后在半速度坐标系下建立了飞行器无量纲数学模型,并依次设计控制变量、确定约束条件,结合实际飞行背景,分别对3类性能指标进行分析,完成轨迹优化模型建立。采用Gauss伪谱法,针对再入段轨迹优化问题,进行轨迹优化设计。首先根据Gauss伪谱法的基本原理,将连续时间最优控制问题在一系列LG点上离散,并用拉格朗日插值多项式对状态量、控制量、约束条件进行拟合,将问题转化为非线性规划问题,转化后的问题由序列二次规划算法求解。为实现再入过程的最优制导,还需对轨迹优化解的最优性进行验证。本文基于极小值原理与伪谱协态映射定理,推导了优化解的最优性的验证方法。本文针对时间最短、航迹角变化最小两类性能指标进行对比仿真分析,结果表明航迹角变化最小可有效减小轨迹的跳跃性。之后对2类性能指标施加不同的权重,分析权重对轨迹优化的影响,最终优选出即能使轨迹较为平稳又能实现快速打击任务的性能指标权重。优化得到的轨迹优化解的最优性也通过数值方法完成了验证。本文给出了基于Carathéodory-π的反馈策略,设计了基于伪谱反馈方法的最优制导方案,使飞行器在飞行过程中根据实时状态通过在线优化获得满足最优性能指标的轨迹。介绍了常用的伪谱反馈方法的在线执行策略,并结合本文所研究的高超声速滑翔飞行器的实际飞行特点,设计了相应的制导策略,并通过理论推导,证明了制导误差有界性。开展了无偏差条件下、极限偏差条件下的仿真,初步验证就最优制导方法的鲁棒性与最优性,通过蒙特卡洛打靶实验,验证了本文所采用的基于伪谱反馈方法的最优制导方法可以有效克服高超声速滑翔飞行器的再入过程中多项偏差与扰动因素的干扰,制导精度满足终端能量窗口要求。