一次性多级运载火箭是目前人类到达地外空间的主要工具,回收并重复使用火箭的技术能有效缩短发射周期、降低航天发射成本。国外一些航天企业完成了火箭一级的回收和重复使用,相关技术已经相当成熟,能够以较低的发射成本抢占国际发射市场,而我国火箭回收技术离成熟尚有一段距离。火箭垂直回收制导是实现火箭回收的关键技术,轨迹优化则是开展制导技术研究的基础,所以开展火箭垂直回收轨迹优化与全程制导方法的研究是非常必要的。火箭一级回收全程自一二级分离开始,至垂直着陆结束。将火箭回收全过程进行分段,说明了各阶段主要任务与注意事项。定义了合适的坐标系,确定坐标系间转换关系,考虑了水平风干扰对气动力的影响,建立了火箭垂直回收质心运动方程。参考国内外研究成果,制定了火箭回收仿真参数。为轨迹优化、制导方案设计与仿真分析提供了理论基础和参数依据。基于粒子群优化算法对修航段、动力减速段和气动减速段的控制量进行优化,考虑了多种过程约束与终端约束,设计了最优标称轨迹。为减小气动减速段攻角优化结果,提出了选取气动减速段终点位置的策略,选择了合适的终端约束形式。仿真结果表明,动压与法向过载均小于允许的最大值,气动减速段攻角优化结果较小且终端状态收敛于期望值。利用牛顿迭代法解决了修航段与动力减速段制导问题,能够实现修航段与动力减速段高精度变轨;提出了以指令攻角和指令侧滑角为控制量的气动减速段比例微分制导律,能够在气动减速段对标称轨迹进行高精度跟踪;采用四次多项式制导法完成了垂直着陆段制导,落点偏差较小,明确给出了剩余时间的估计公式,加快了制导算法的运行速度。考虑多种干扰项的影响,开展了蒙特卡洛仿真实验,分析了气动减速段起点、气动减速段终点和落点三个特征点的偏差分布情况,验证了全程制导方案的性能。