本课题的来源是国家自然科学基金开展的“空天飞行器的若干重大基础问题”的研究计划之一。本文第一部分首先研究了空天飞行器的几何模型、操纵特性及六自由度非线性数学模型,接着研究了空天飞行器的空气动力、空气动力矩、发动机推力和推力矩的数学模型,最后基于时标分离的原则对空天飞行器的非线性数学模型进行了仿射化,分析了非线性数学模型的零输入响应和开环耦合特性。本文第二部分首先给出了非线性系统和线性时变系统的相关理论,然后介绍了非线性轨迹线性化控制的基本理论及设计思想,并着重介绍了非线性系统伪动态逆理论和线性时变系统PD谱理论,最后应用轨迹线性化控制方法为空天飞行器设计了飞行控制系统,所设计的轨迹线性化控制器不仅具有很好的动态性能,而且还具有一定的鲁棒特性。本文第三部分针对多输入多输出不确定非线性系统,重点提出了五种自适应轨迹线性化控制方法:(1)基于模糊理论的自适应轨迹线性化控制方法;(2)基于轨迹线性化的鲁棒自适应模糊控制方法;(3)基于模糊干扰观测器的自适应轨迹线性化跟踪控制方法;(4)基于T-S模糊理论的鲁棒自适应轨迹线性化控制方法;(5)基于小增益理论的鲁棒自适应轨迹线性化控制方法。所设计的控制器均能保证闭环系统所有信号一致最终有界,并且具有很好的跟踪性能和鲁棒特性。最后应用本文提出的五种控制方法为空天飞行器设计了飞行控制系统,仿真结果表明了所设计控制器的有效性。