与常规飞行器相比，高超声速飞行器的飞行具有高速度、高海拔和高机动性的特点，因此无论在民用还是军事方面都具有重要的意义。由于高超声速飞行器具有先进的气动外形、机身-发动机一体化设计、大的飞行包线和飞行环境变化剧烈等特点，使得高超声速飞行器自身稳定性较差，各个子系统之间耦合严重，同时模型具有较大的不确定性，因此对高超声速飞行器建立较为精确的数学模型并且设计具有强鲁棒性的控制器是十分必要的。为了更加全面地了解高超声速飞行器的飞行特性，基于拉格朗日方法给出了高超声速飞行器的刚体运动模型和弹性体运动模型，进而根据已有的研究成果，建立了高超声速飞行器6-DOF的Simulink仿真模型。应用该Simulink仿真模型对高超声速飞行器的飞行特性进行了初步分析，包括高超声速飞行器俯仰方向稳定性分析、纵向运动飞行包线及运动模态的分析等。利用微分几何线性化的相关理论，对高超声速飞行器纵向运动模型进行了精确线性化，得到了高超声速飞行器纵向运动的精确线性化模型，实现了系统输入-输出的完全解耦，并通过与基于近似线性化模型设计的控制器进行对比，说明了精确线性化模型的优越性。针对高超声速飞行器纵向运动的一类模型匹配有界不确定性问题，采用滑模变结构与动态逆反馈相结合的方法设计了基于动态逆反馈的滑模变结构控制器，该控制器结合了动态逆反馈的解耦特性和滑模变结构的鲁棒性能，达到了较好的控制效果。针对一类模型非匹配有界不确定性问题，分别采用自适应控制与反步法、滑模变结构与反步法相结合的方法，设计了具有较强鲁棒性的控制器，有效地抑制了非匹配不确定性带来的扰动。对于高超声速飞行器的模型动态完全未知的情形，采用总能量控制原理设计了高超声速飞行器纵向运动的总能量控制系统。仿真结果表明：设计的控制器不需要已知系统的模型信息，就可以实现较好的控制效果，并且具有更强的鲁棒性能。针对于高超声速飞行器的上升段的轨迹规划问题，采用高斯拟谱法将原始的轨迹规划问题转化为非线性规划问题，进而通过SNOPT算法进行了问题的求解，得到了很好的优化结果及相应的控制策略，节省了大量的燃料。最后是对于本文研究内容的总结和今后工作的一些展望。