作为航天技术发展和空间探索的基础,新一代大运载能力运载火箭的研制迫在眉睫。要实现运载能力的提升,必须研究新型、大推力火箭发动机。然而,新型动力系统的研发需要应用新理论、新材料、新技术,不可避免的降低了动力系统可靠性,一旦在发射过程中发生动力系统故障,将造成难以估量的损失。随着计算设备技术以及优化理论的发展,在线轨迹规划成为未来飞行器面对突发状况、实现应急轨迹与任务重构的有效途径。在此背景下,本文以凸优化算法为实现轨迹快速优化的主要工具,重点针对运载火箭上升段动力系统故障情况,开展在线轨迹规划、任务重构以及自适应制导技术研究。论文的主要工作包括非凸轨迹规划问题凸化方法、凸优化问题改进求解技术以及高精度入轨制导策略。论文主要研究内容如下:对运载火箭上升段动力学模型以及典型弹道特性进行详细分析,并给出相关坐标系定义与转换方式;对运载火箭动力故障常见情况进行详细分析与分类,并建立动力系统故障模型,为在线规划模型建立奠定基础;对凸优化问题数学理论和伪谱离散方法进行研究与分析。在运载火箭不同飞行段、发生不同程度的动力系统故障,需要考虑采用不同的在线轨迹规划和自适应制导算法。针对运载火箭在非入轨飞行段发生中等程度动力系统故障情况,本文研究了运载火箭能量最优轨迹在线规划方法。首先,基于耗尽关机假设给出固定时间终端能量最优轨迹规划模型;而后,应用无损凸化方法将非凸推力幅值约束转化为凸约束,并基于最优控制理论给出了凸化过程的无损性证明;其次,应用伪谱离散方法和非凸项迭代更新策略完成了对动力学模型中非凸项的处理。论文对上述方法进行了数值仿真实验,分析了算法特点和适用性,为后续入轨段在线轨迹规划奠定基础。针对运载火箭入轨飞行段,不仅需要考虑大偏差条件下的轨迹重构,还需保证入轨精度满足任务需求。为此,本文提出了多终端约束轨迹在线规划算法。首先,为了便于目标轨道根数表达,本文在近焦点坐标系建立轨迹规划问题模型,并研究两步校正迭代策略求解序列凸化后的轨迹规划问题,实现多终端约束问题的快速精确求解。为了保证入轨精度,研究了滑行段时间计算策略,保证入轨时间—位置精度要求,并针对在线轨迹规划算法计算周期长、入轨制导精度不足的问题,研究了在线轨迹规划与制导算法自适应切换策略,保证大偏差和故障情况下的运载火箭入轨精度。仿真实验验证了算法的精确性、快速性和鲁棒性,具备在线应用潜力。当运载火箭发生严重故障,无法进入目标轨道、甚至无法进入空间时,同样需要进行在线轨迹重构,减小任务损失。针对运载火箭无法进入预定目标轨道情况,本文研究了最优救援轨道设计方法,并提出了故障同伦技术,保证严重故障情况下算法的收敛性。针对运载火箭发生严重故障、载荷无法入轨的情况,研究了安全再入策略,实现了预定地点、预定速度再入,保证坠落地点精度,避免更大损失和国际纠纷。为了进一步提高轨迹在线规划凸优化问题的求解效率,本文首先对求解凸优化问题常用的原对偶内点算法原理进行了深入研究,并对其求解思路和步骤进行详细推导。同时,针对运载火箭轨迹规划问题不等式约束的强积极性,以及等式约束矩阵较好的稀疏特性,给出了求解运载火箭轨迹规划子凸优化问题的改进原对偶内点算法,并通过典型故障条件下的仿真实验,验证了改进策略的有效性。综上,本文针对运载火箭动力系统故障情况下轨迹在线规划与自适应制导技术进行了深入研究。将凸优化技术应用于运载火箭在线轨迹规划,并改进了传统方法,保证不同飞行段、不同故障程度条件下,降低甚至消除故障带来的损失。相关成果具有较好的理论和应用创新性,为未来新一代运载火箭轨迹在线规划和自适应制导技术应用提供良好参考。