可重复使用火箭由于其经济性和时效性,是未来往返太空的主要运输工具。可重复使用火箭再入过程的环境复杂,飞行条件恶劣,执行机构容易发生故障,因此本文针对可重复使用火箭一子级返回各飞行段,开展了轨迹优化与容错制导方法的设计研究,具体研究内容包括:第一,综述了论文研究的背景和意义,介绍了国内外可重复使用火箭的发展现状。综述了返回飞行器轨迹优化方法和容错制导方法的研究现状。第二,在分析了火箭一子级自身的特点和再入段的具体飞行阶段的基础上,建立了火箭一子级动力学模型,为后续论文研究工作提供基础。第三,针对火箭一子级再入段轨迹优化问题,采用了两种轨迹优化方法对其再入段轨迹进行优化:一是直接法中的高斯伪谱法,论文将使用高斯伪谱法把动态优化问题转化为非线性规划问题,以燃料最优为性能指标对火箭一子级再入段轨迹进行优化。二是牛顿迭代法,牛顿迭代法是一种在线轨迹优化方法,论文将同样以燃料最优为性能指标对火箭一子级再入段轨迹进行优化。验证了两种方法对火箭一子级再入段轨迹优化的可行性,最后对比两种轨迹优化方法,给出了它们的优缺点。第四,以基于牛顿迭代法的轨迹优化方法给出的最优轨迹为基础,针对不同的飞行阶段分别采用了基于有限推力制导和基于迭代制导的制导方法,最后仿真验证了基于迭代制导的制导方法对于轨迹跟踪的有效性。第五,针对火箭一子级再入段发动机发生故障和栅格舵的舵偏卡死等故障情况,对基于牛顿迭代法的轨迹优化方法和基于迭代制导的制导方法进行改进,设计了容错在线轨迹优化算法和容错迭代制导算法,提高了火箭一子级在再入过程中对于故障情况的容错能力。综上,本文将对可重复使用火箭一子级的再入段动力学模型、轨迹优化和容错制导这一系列问题进行研究,提出相关的轨迹优化和容错制导方法,为工程应用提供理论参考。