可重复使用运载器是未来低成本快速往返太空的主要手段，其中的垂直起降可重复使用火箭具有基于传统火箭构型的改进幅度小、着陆场需求低、技术跨度和研发成本相对较低等优势，是当前的热点方向。由于火箭垂直返回飞行空域广、速域大，内外扰动和不确定性强，飞行环境复杂多变，返回飞行中不同执行机构在各飞行段切换工作，设计可行的制导和控制方法已成为实现可重复使用火箭垂直返回的一项主要挑战。
　　本文针对火箭垂直返回各飞行段和执行机构不同的特性，并运用最优控制方法和非线性控制方法开展了垂直起降可重复使用火箭返回制导与控制方法的设计研究，具体的研究内容包括：
　　第一，在分析垂直起降火箭返回一子级的执行机构的基础上，建立火箭一子级返回运动数学模型，并结合火箭一子级返回飞行弹道剖面特性，给出火箭一子级返回飞行的方案弹道。
　　第二，针对垂直起降火箭一子级大气层外修航段返回飞行的大偏差条件下高精度制导问题，设计了火箭大气层外双层目标点更新迭代制导方法。考虑到由一二级分离偏差累计的大偏差和地球自转引入的横向偏差，基于最优控制方法推导了大偏差条件下的迭代制导指令的具体形式。在此基础上设计了双层目标点更新算法：一是基于轨道几何关系设计了基于几何关系的目标点自适应更新算法，解决迭代制导方法本身约束维度限制导致放开一个终端位置约束造成的精度损失；二是基于剩余飞行时间关系设计了基于剩余时间估计的目标点自适应更新算法，解决地球自转引起的发射坐标系下目标点相对惯性空间移动造成的偏差累计。仿真结果表明该制导方法能够实现满足火箭一子级大气层外修航段的高精度制导需求。
　　第三，针对垂直起降火箭一子级大气层内多约束制导需求，分别开展了气动减速段和垂直着陆段的制导方法研究：(1)针对气动减速段角度约束制导问题，建立了火箭一子级与虚拟目标的相对运动数学模型和制导状态方程；基于双极限加权齐次性给出了一种二阶固定时间收敛扰动观测器，进而采用基于扰动观测器的控制方法设计了基于固定时间收敛扰动观测器的角度约束非奇异快速终端滑模制导律，实现对扰动的快速高精度估计从而抑制扰动影响和滑模抖振现象。理论分析和仿真结果表明，固定时间收敛扰动观测器能够不依赖扰动边界实现对扰动的快速高精度估计，而垂直起降火箭一子级采用基于该观测器的制导律实现了以期望角度到达预定位置，其有限时间收敛特性能够降低火箭一子级在气动减速段末端的制导压力。(2)针对垂直着陆段动力着陆多约束制导问题，考虑到现有箭载计算机性能和高精度着陆制导需求，将真空环境下的经典多项式方法应用到大气环境下火箭垂直着陆制导问题中。建立了垂直着陆段火箭一子级运动状态方程，进而基于最优控制方法给出了四次多项式制导指令的具体形式。仿真结果表明四次多项式制导律能够应用于解决大气环境下火箭垂直软着陆的制导问题。
　　第四，针对复杂干扰和大不确定性条件下的火箭垂直返回大气层内非线性姿态跟踪控制问题，设计了基于固定时间收敛扰动观测器的双幂次固定时间收敛滑模控制方法。建立了火箭一子级返回飞行非线性控制系统模型；考虑到复杂扰动和不确定性影响，将论文给出的二阶固定时间收敛扰动观测器拓展为任意阶形式；为抑制控制动态过程和控制误差可能造成的滑模制导抖振和垂直着陆制导偏差，通过引入具有固定时间收敛特性的双幂次修正项，给出了一种双幂次固定时间收敛滑模面；在此基础上设计了基于固定时间收敛扰动观测器的双幂次固定时间收敛滑模控制方法。理论分析和仿真结果表明该控制方法能够具有良好的控制性能，设计的观测器能够快速高精度估计系统状态和扰动，并且通过设计观测器能够保证控制精度并抑制抖振影响。
　　最后，进行了火箭垂直返回全程制导与控制六自由度联合仿真，以验证论文设计的垂直起降可重复使用火箭返回制导与控制方法的综合性能。