随着我国空间运输系统的不断发展，对于空间运载器的运输能力要求不断提高，目前国内外对于空间运载器需求不断朝向低成本、高可靠性、快速机动的趋势发展，轨道转飞行器就是顺应这一需求发展而来的。轨道转移飞行器的出现，大大增强了空间运输系统的服务能力。当前对于轨道转移飞行器的研究主要集中在系统结构设计、先进推进技术、轨控技术以及热保护等相关方面。本文主要研究了轨道转移飞行器的运动建模、飞行轨迹优化以及制导等热点问题。针对飞行器所处的阶段的不同，分别建立了二体运动模型以及大气运动模型，通过这种建模方式可以很好地描述飞行器在不同阶段的运动，并保证模型的可靠性。轨迹优化与制导技术是研究轨道转移飞行器的关键技术，本文针对近年来国内外所研究的气动力轨道转移技术以及气动引力轨道转移技术进行了深刻的探讨，考虑拟谱法求解轨迹最优化问题的拟合解精度高，收敛快速的优势，利用拟谱法求解了最优的气动辅助转移轨迹以及最优气动引力机动轨迹。通过与霍曼变轨所需的速度脉冲比较，得出了气动变轨在节省燃料方面的优势；并考察了不同的轨道倾角以及对流热速率约束值对于最优轨迹的影响。在研究气动引力辅助机动的最优轨迹时，本文考察了不同日心速度性能指标的最优飞行轨迹，考虑到气动热的影响，对飞行器的对流热速率进行了约束，仿真结果显示，相比无约束的情况，所提供的速度转角和日心速度增值都有所减小，因此，对飞行器进行轨迹优化时，不但要考虑使指标函数最优，还要保证飞行过程中的对流热速率在飞行器可承受范围内，避免给飞行器带来热损害。文章最后利用复合大气制导方法对轨道转移飞行器进行了制导研究，并仿真验证了该算法的性能。综上，本文对轨道转移飞行器的运动建模，转移轨迹优化以及制导等相关问题进行了理论分析，并将优化理论与仿真技术相结合，对相关问题进行了有益的探讨及研究，对于我国空间运输系统领域具有重要的参考价值。