随着航天运输技术的变革,先进的可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)应运而生,低成本、高安全性、自主性、任务自适应是新一代RLV的发展目标,先进的制导与控制技术是实现这一目标的有效手段之一。本文以解决无动力RLV在末端能量管理段(Terminal Area Energy Management,TAEM)的轨迹规划及制导关键技术为研究主题,建立了面向制导的RLV数学模型,分析了RLV在末端区域的无动力滑翔能力,依次探索了不同的TAEM制导方法,包括:基于离线纵向轨迹和在线航程预测校正的混合制导方法、基于快速轨迹规划技术的在线TAEM制导方法、基于滑模控制思想的TAEM制导方法。论文的主要研究成果如下:1.针对无动力RLV在TAEM段的飞行能力受限的问题,提出了基于能量走廊概念的运载器无动力滑翔能力分析的方法。设计了通用的纵向轨迹剖面迭代算法,生成了RLV末端飞行的最大俯冲剖面和最大滑行剖面,由此构造出RLV末端区域飞行的能量走廊。该能量走廊有效地描述了RLV在TAEM段的无动力滑翔能力,为后续制导方法的验证提供了可靠的平台。2.针对传统的纵横向解耦的制导方法精度不高的问题,提出了基于离线纵向轨迹剖面和在线航程预测的TAEM混合制导策略。设计了考虑动压剖面的参考轨迹规划算法,构造出离线轨迹数据库;设计了在线地面航程预测器,实时校正运载器的飞行位置,解决了传统方法横侧向误差较大的问题;结合闭环制导律,保证了对RLV模型不确定性的鲁棒性。仿真结果表明所提出的制导方案轨迹剖面较为光滑,具有满意的精度与鲁棒性,易于工程实现。3.针对基于固定地面轨迹形状制导方法精度有限的问题,提出了基于快速轨迹规划技术的在线TAEM制导方案。通过选取纵程、横程和动压为平坦输出,证明了运动方程的平坦特性;在平坦空间建立了轨迹规划问题,降低了优化问题的维数;设计了基于伪谱法的离散方法及初始化方法,提高了算法的求解效率;设计了基于前馈线性化的微分平坦制导律,保证了制导策略的鲁棒性。仿真结果表明所设计的制导方法具有较好的快速规划轨迹的能力,所生成的轨迹不受固定的轨迹形状约束,且具有较高的制导精度和鲁棒性。4.针对参考轨迹制导策略的自主能力有限的问题,提出了基于二阶滑模控制思想的TAEM自主制导方法。在基于高度域的运动模型基础上,设计了满足三维TAEM运动的终端多约束和飞行过程约束的滑模面;通过融入动压剖面整形的方法,控制了飞行过程中的动压状态,保证了运载器飞行的安全性;设计了一种快速轨迹重规划及制导指令重新生成的策略,有效地处理了运载器故障导致滚转能力受限的情形。仿真结果证明了所设计的TAEM制导方法在保证了制导精度的同时,提高了运载器的安全自主飞行的能力。论文探索了新一代运载器在无动力大气返回过程中的TAEM制导方案的新思路,引入并改进了快速轨迹规划及先进制导与控制领域的新方法,具有一定的理论意义,同时,结合了无动力RLV在TAEM段的实际飞行特点,对新一代运载器总体方案的设计及先进制导控制系统的研究有着较好的借鉴意义。