随着国际关系的复杂化,各军事强国都在寻求更为先进的空间技术来为本国利益服务。航天运载器作为空间技术应用中最重要的组成部分,一直备受关注。航天运载器是指把有效载荷从地面运送到太空预定轨道、从太空某位置运回地面或运送到太空另一位置的运载工具的总称,包括广泛使用的一次性运载火箭、部分可重复使用运载器和完全重复使用运载器。轨迹优化作为总体设计最重要的一环,是航天运载器前期方案论证设计阶段必不可少的一部分。航天运载器的轨迹优化问题一般是一个带有多种约束条件的非常复杂的非线性问题。最优控制理论的出现为航天运载器轨迹优化设计提供了分析问题解决问题的有效途径。从庞特里亚金极大值原理到现在的智能控制优化算法,轨迹优化方法随着计算机技术的提高也得到了进一步的发展。本文主要研究了高斯伪谱法在航天运载器轨迹优化设计中的应用和采用滚动时域控制的制导控制方法,涉及到的航天器包括高超声速滑翔式飞行器、多级运载火箭以及作为空间小型运载器使用的小型航天器。首先研究了滑翔式飞行器的再入轨迹优化,在此基础上分析了高斯伪谱法求解最优控制问题的精度,仿真结果表明,高斯伪谱法对求解此类问题有良好的适用性,并且收敛速度较快。其次研究了多级运载火箭的上升轨迹优化,给出了高斯伪谱法在求解不连续最优控制问题时的具体方法。最后,研究了小型航天器的气动力辅助变轨优化设计及制导控制,分析了转移轨道近地点高度和升阻比对气动力辅助变轨的影响,以及在固定改变轨道倾角的情况下气动力辅助变轨和霍曼转移所需燃料消耗量的对比情况,此外,基于轨迹优化得到的飞行轨迹,研究了基于滚动时域控制的标准轨迹制导方法。