高超声速再入飞行器具有快速响应、全球可达的特点,对其进行研究无论是在军事还是民用领域都具有十分重要的意义。单个高超声速再入飞行器的机动能力有限,全球到达需要通过多个在轨飞行器组网实现,因此需要研究其轨道规划方法。在高超声速再入飞行器的关键技术中,姿态控制技术占有十分重要的地位,控制力矩陀螺作为一种新型的再入飞行器姿态控制执行机构将具有广阔的应用前景。本文针对高超声速再入飞行器,研究其在轨段轨道规划技术,及基于控制力矩陀螺、反作用控制系统的离轨段、再入段姿态控制方法,并开展了半实物仿真实验。论文主要研究成果如下:提出了对轨道机动形成的可达域带进行拼接的全球快速可达在轨星座轨道规划方法。提出了一种利用轨道机动产生星下点偏移从而形成可达域带的新概念。分析了基于轨道机动的可达域与传统的覆盖范围的不同点。分别基于双脉冲变轨和单脉冲变轨方式求解了考虑J₂摄动下的单个在轨飞行器形成的赤道可达域带分布,并分析了赤道最大可达域带宽度与可用速度增量、初始轨道高度和响应时间的关系。设计了对赤道最大可达域带进行均匀拼接的解析星座规划方法,以及对所有赤道可达域带进行最优拼接的最优星座规划方法,提出了采用“遗传算法+模式搜索法”的最优星座参数寻优算法。通过仿真算例验证了提出的星座规划方法的有效性。提出了基于控制力矩陀螺的离轨段姿态快速机动在线规划与跟踪控制方法。对离轨段时间最优姿态机动问题进行了分析,推导了最优性必要条件,得出在最优轨线上Hamilton函数等于零的结论,可用于检验最优控制解是否满足最优性必要条件。将Gauss伪谱法应用于求解最优机动路径中,仿真结果表明最优机动路径为bang-bang形式。为了应用于在线规划,提出了基于改进伪谱法的快速机动路径规划方法,对其基本原理、求解方法进行了详细阐述,推导了协态变量与KKT乘子映射关系,可用于判断姿态机动路径规划结果的最优性。仿真算例表明基于改进伪谱法的快速机动路径规划方法具有自动判断切换次数是否正确的能力,与基于Gauss伪谱法的方法对比,计算速度快一个数量级,且可精确获知切换时刻,最优性更好。采用LQR方法设计了最优路径跟踪控制器,仿真算例验证了该控制器的良好性能。提出了基于控制力矩陀螺和反作用控制系统的再入段姿态控制方法。对基于控制力矩陀螺的再入初段姿态稳定控制方法进行了设计,提出了准滑模稳定控制律。提出了基于控制力矩陀螺和反作用控制系统的再入后段滚动通道姿态控制方法。对复合执行机构的控制系统结构进行了分析。基于滑模控制方法设计了滚动通道控制律。设计了模糊控制分配律,可将控制力矩合理分配给两个执行机构。对控制力矩陀螺的响应速度进行分析,结果表明其响应速度为10ms量级,可作为再入后段姿态控制执行机构。仿真算例考虑了控制力矩陀螺的响应特性和反作用控制系统的推力延时,结果验证了提出的模糊控制分配律的可行性,以及在存在外界干扰力矩条件下滑模控制律的良好性能。建立了基于三轴气浮台的姿态控制半实物仿真系统并开展了仿真实验。对半实物仿真系统整体组成进行了设计,为了开展基于控制力矩陀螺的实验,研制了具有1.5Nms角动量/0.5Nm控制力矩的小型机械轴承控制力矩陀螺试验样机。为了满足实时仿真需求,研制了低延时无线终端模块,用于气浮台试验装置与地面半实物仿真目标机之间的实时通信,研制了基于FPGA的多串口转单串口并行处理板,用于并行处理串口命令。针对再入段滚动通道姿态控制开展了半实物仿真实验,与数字仿真实验结果对比一致性较好,验证了控制算法的有效性。论文从在轨段、离轨段再到再入段,对基于控制力矩陀螺+反作用控制系统的高超声速再入飞行器轨道规划和姿态控制方法进行了深入研究,其研究成果可为未来新概念高超声速再入飞行器的研发提供理论和技术支撑。