垂直起降运载火箭是实现运载器重复使用、大幅降低航天发射成本的重要手段之一。随着国外火箭垂直着陆技术日益成熟,国内相关技术的研究和验证亟待开展。在诸多关键技术模块中,轨迹规划与导航制导控制技术是最体现航天智能自主水平、影响回收成败的关键环节之一。火箭返回过程空间跨度大、飞行环境多变、大气干扰严重、精度要求严苛,给算法的设计带来挑战。本文采用动态优化的方式来进行轨迹规划和制导算法设计,着陆过程优化命题具有多阶段、非线性、非凸性、复杂约束等特性,需要通过合理构造命题、采用有针对性的求解策略来提升优化的收敛性和实时性。在实际飞行中,还需要考虑飞行偏差、模型参数摄动等不确定性因素的影响,对在线制导算法的自主性和适应性提出了更高的要求。本文围绕火箭返回过程的轨迹规划与制导问题,聚焦以上难点,展开的主要研究工作如下:(1)返回全过程的精细化建模和轨迹优化命题构造。结合火箭返回过程不同飞行阶段的目的、环境特性,以统一的形式较为准确地描述各阶段下的运动规律和约束条件。对全局任务规划和局部运动规划问题,分别构建轨迹优化命题并求解。(2)高性能轨迹跟踪制导算法设计。针对大气层外的动力飞行段,提出了一种基于超螺旋理论的快速非奇异终端滑模制导律,实现对标称轨迹的有限时间跟踪,同时能够削弱系统抖振现象。(3)制导控制一体化方案设计。针对大气减速段,为了解决气动参数不确定性问题,基于扩展卡尔曼滤波器对参数进行在线估计,设计了基于参数辨识的在线轨迹重规划制导方法;针对优化命题在线收敛困难的问题,提出优化目标重构、配点数衰减的收敛增强策略,提升在线求解的收敛性和实时性。(4)针对垂直着陆段,为解决突发情况下优化命题不可行的问题,设计了着陆约束松弛的策略提供应急方案,通过仿真结果体现所设计的一体化制导方案在解决制导控制耦合问题、提升制导性能指标、灵活自主应对突发情况等方面的优势。