现阶段,高超声速飞行器的相关技术发展迅速,并且具有了越来越显著的战略意义和民用价值。由于再入飞行过程中气动环境变化极为复杂,同时模型不确定性很大,这些问题使其控制系统的设计变得十分困难。无法利用线性控制系统的方法进行设计,所以有必要对具有较强鲁棒性和稳定性的非线性控制方法进行研究和探索。本文通过对国内外相关文献的总结,充分分析再入飞行特点并对模型进行合理简化,建立了面向控制的高超声速飞行器无动力再入飞行数学模型,给出气动力和气动力矩系数,为了更加真实的反应再入飞行特性,建立起大气模型。通过分析系统的开环特性,给出系统的零输入响应特性以及三通道耦合特性,同时得出单一通道设计控制器的方法很难满足控制需求的结论。通过对模型的数学分析和对非线性控制方法的深入学习,首先,采用了反步法与动态逆相结合的控制策略,并应用跟踪微分器的特点获得反步法中虚拟控制量微分信号,避免了“微分爆炸”问题,根据扩张状态观测器的性质设计扰动观测器,对控制律进行补偿,进一步提升系统的鲁棒特性。其次,基于时标分离原则,引入高阶滑模扰动观测器,通过有限时间滑模面和有限时间趋近律的设计,使得系统达到有限时间稳定,有效提高了系统的收敛速度和精度。本文充分利用了反步法,动态逆,滑模控制等先进非线性控制策略,对高超声速飞行器再入姿态控制系统设计进行了深入研究。