高超声速飞行器的整个飞行过程是一个大机动、宽领域、强不确定性和强非线性约束的复杂过程,复杂的飞行环境以及剧烈变化的大气环境会对飞行器整个飞行过程造成很大影响,有必要对该类飞行轨迹进行快速、高效、准确的设计与优化。所以,研究合理有效的轨迹设计与优化方法意义重大。本文就多学科、多约束、多目标和实时性等方面,完成对高超声速飞行器轨迹的设计和优化方法的研究,主要包括如下:（1）对高超声速飞行器进行六自由度轨迹设计。在描述飞行器运动常用的坐标系的基础上,利用运动学定律和牛顿定律推导了运动模型,并构建较为完整的六自由度飞行器模型。对气动力和气动力矩进行具体的数据分析,对多维典型气动数据通过最近邻插值法进行拟合,保证运算过程数据的准确性。对热点领域发动机推力模型进行研究,对固体火箭发动机和超燃冲压发动机进行数据分析与建模。（2）对高超声速飞行器轨迹优化算法进行研究。针对全局Radau伪谱法在求解大型复杂非光滑问题时运行效果不理想的情况,提出一种hp自适应策略,引入了三种不同的轨迹优化算法。p-Radau伪谱法合理的增加整个区间的配点数量,提高计算精度;h-Radau伪谱法对整个区间进行细分,减少多项式的阶数、提升计算效率,最后将两种方法结合成自适应hp-Radau伪谱法对飞行器进行轨迹优化研究。（3）对高超声速飞行器进行分段轨迹优化仿真研究。上升段选取最少燃料消耗为目标函数,下压段分别选取最大射程和最短时间为性能指标,采用自适应hpRadau伪谱法与序列二次规划算法相结合来求解轨迹优化问题。最后对上升段、巡航段和下压段三者进行整合,形成一条完整的优化轨迹。（4）开发一套基于Qt的可视化仿真演示软件。该动态模拟软件以Matlab做底层算法计算,C++做软件设计,STK做动画展示,以三者交互的形式完成航行阶段的可视化仿真。通过可视化仿真软件,研究人员可以对整个设计优化过程有着更加深刻的掌握,还可以方便和工程项目相结合。本文重点提出了基于hp自适应策略的轨迹优化方法,并完成了仿真验证。结果显示,自适应hp-Radau伪谱法有较高的求解精度、合理的配点选取、较高的计算效率,优化结果均可以严格达到飞行的各项约束要求,是多种约束情形下高超声速飞行器轨迹优化的一种有效方法。