自从第一架飞机问世以来,人类对飞行器始终在提出更高更快的要求。随着最近几十年航空航天技术的迅速发展,高超声速飞行器成为了现代航空航天的热点研究方向之一。本文对高超声速飞行器再入段轨迹优化方法进行研究,以通用航天器CAV-H为研究对象,建立了其再入过程运动的数学模型和气动系数模型,并在此基础上,进行飞行器轨迹优化工作。本文的主要工作为:首先分析再入飞行器的运动状态以及受力情况,得到高超声速飞行器再入运动的三自由度运动数学模型,并且根据参考文献中已知的飞行器气动数据,对其进行辨识工作得到了飞行器再入过程中的气动系数模型。然后分析了飞行器再入过程中需要考虑的约束条件,给出了轨迹优化工作中的目标函数。进行轨迹优化工作前,介绍了伪谱法的基本原理,以及基于伪谱法的最优控制问题。将轨迹优化这一求解连续动态过程问题转化为非线性、离散、静态的规划问题,并说明了得到的规划问题与原轨迹优化问题具有一致性。基于Guass伪谱法,使用GPOPS工具包,自拟飞行器再入过程中的初始条件,分别以飞行器横向、纵向的最大航程为目标,通过进行仿真并对结果进行分析来说明轨迹优化的效果。接着使用遗传算法进行轨迹优化工作,首先介绍了遗传算法和粒子群算法的基本原理,又给出了使用遗传算法解决最优控制问题时,需要对约束条件进行处理的过程和方法,设计了相应的适应度函数,然后给出了基于改进型遗传算法的飞行器再入轨迹优化的仿真过程,对比分析了不同约束条件对轨迹优化效果的影响,并以最大航程为目标函数,得到了相应的仿真结果,证明了改进型粒子群遗传算法的有效性。最后进行的是高超声速飞行器再入走廊设计与轨迹规划任务,首先根据高超声速飞行器再入段所面临的约束问题给出了飞行器再入走廊的建立过程以及数学表达式,接着设计LQR飞行器轨迹跟踪器,用于对飞行器再入段的纵向轨迹进行跟踪,再给出飞行器再入段横向轨迹的控制策略,最后进行仿真工作,验证控制器的有效性。