本文以X-51A飞行器为对象,研究高超声速巡航导弹爬升段的轨迹优化问题,建立了优化所需的运动方程组、大气模型、气动力模型和推力模型,分析了导弹在爬升飞行过程中的各种约束条件,运用Radau伪谱法和序列二次规划法对爬升段轨迹进行了优化仿真。首先,建立了高超声速巡航导弹运动方程组。针对纵向运动,方程组进行了分解和简化,得到了导弹纵向运动的简化方程组;考虑导弹爬升飞行高度跨度在15~30km范围内,基于杨炳尉大气模型,拟合得到了15~30km高度范围内的大气密度指数模型;利用仿真所得气动力数据,分析比较各种经验拟合模型,获得了精度较高的气动力模型。基于已有数据拟合比冲和质量流率变化规律,建立推力模型。然后,建立了高超声速巡航导弹爬升段轨迹优化模型,确立了爬升段轨迹优化的所有约束条件和目标函数,并给出了约束的具体值。针对爬升段的飞行走廊,设计了高度-速度直线爬升模式,并得到了其标准轨迹和跟踪轨迹,从而为优化过程提供初步预估值。分别以最省燃料和最快为目标,采用Radau伪谱法和序列二次规划法进行了轨迹优化仿真,取得了较优的效果。优化结果表明该轨迹优化方法较为有效,计算结果具有较强稳定性,也说明了爬升段轨迹优化的复杂性,侧面说明了爬升段轨迹优化的必要性。此外,本文还提出了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和序列二次规划法(Sequential Quadratic Programming,SQP)的GASQP混合优化算法,该算法相比GA和SQP,在优化性能上有显著的提升。