由于高超声速巡航飞行器具有较快的飞行速度和较强的作战能力,各国正积极开展相关研究工作。本文将高超声速巡航飞行器作为研究对象,针对飞行器从点火爬升到俯冲攻击地面目标的整个过程,开展轨迹优化和制导方面的研究工作,以实现高超声速飞行器的顺利爬升、最优巡航以及精确打击。本文首先以推导得到的高超声速巡航飞行器质心运动方程为基础,分别分析飞行器爬升段、巡航段和俯冲段的飞行特征和气动特性,并根据不同飞行阶段的具体飞行任务,建立飞行器三自由度动力学模型,以描述飞行器和飞行轨迹的变化情况,用于轨迹优化与制导方法的分析研究。飞行器在爬升过程中采用超燃冲压发动机作为推力,动力学模型较为复杂,且飞行器的飞行速度较快,飞行环境变化剧烈,简单的轨迹设计方法已经不能满足复杂动力学模型下的飞行方案设计,本文针对爬升段的轨迹设计问题开展相关研究,提出了基于五次毕达哥拉斯矢端曲线的爬升段轨迹设计方法,考虑爬升段的飞行起点和飞行终点的高度、马赫和倾角等状态量约束,同时将超燃冲压发动机的工作范围作为轨迹设计的过程约束,最终得到满足起点、终点和过程约束的爬升段飞行轨迹。考虑在实际爬升飞行过程中,高超声速巡航飞行器实际气动模型与参考气动模型存在偏差的特点,飞行器的动力学模型存在不确定性,采用传统的参考轨迹跟踪的方法已经不能适应爬升段制导需求。本文针对爬升段的制导难点,提出了基于动态逆的自适应制导方法,以应对飞行器快时变下的制导指令实时生成的要求,同时利用带遗忘因子的最小二乘辨识方法,对实际气动参数进行了在线辨识,以保证制导方法中气动参数与实际飞行条件接近,进一步提高制导结果的精度,以实现不同气动偏差条件下的高超声速飞行器的顺利爬升。为了使得高超声速巡航飞行器在巡航段以可使得燃料消耗最小的轨迹飞行,本文根据两种典型的巡航飞行即稳态巡航和周期巡航开展最优巡航轨迹生成的研究。首先给出了巡航段的轨迹优化问题描述,包括优化问题中需要满足的动压、过载、热流过程约束以及终点状态等末端约束。然后针对最优稳态巡航采用固定高度和速度飞行特点,飞行器的动力学特性较为简单,提出了利用改进粒子群算法得到最优稳态巡航轨迹。在此基础上,考虑周期巡航问题对应的动力学特性较为复杂的特点,本文采用确定性的优化算法,同时将最优稳态巡航轨迹最为优化问题的初值,最后得到了最优周期巡航轨迹。当飞行器结束巡航飞行后,开始进行俯冲飞行,并最终实现对地面固定目标的打击。本文首先针对单个飞行器的末制导问题,考虑末制导过程中存在的落角、落点约束以及飞行器本身结构和材料的限制,提出了在过载限制下能同时满足落角和落点约束的末制导方法。同时对多个飞行器的协同末制导问题开展了研究,通过设计的协同末制导策略可使得多个飞行器能同时实现对地面目标的攻击。本文最后对全文进行了归纳总结,并阐明了本文的主要创新点以及今后有待进一步研究和探索的方向。