降低发射成本向来都是一个值得每个航天人去努力的方向。而随着美国Space X公司近年来在一子级火箭回收上取得的巨大成就,火箭发射成本的大幅削减成为可能。Space X公司的成功证实了火箭可重复使用的可行性,可以说可回收火箭技术是必然的发展趋势。火箭返回末段的定点软着陆是火箭回收过程中的关键一环。动压减小、大气干扰的增强与着陆点严苛的末端约束增加了制导控制设计的难度。本文针对火箭返回末段垂直软着陆这一问题,设定了一个具体场景,即实现一个飞行高度大约为3000米的火箭的垂直软着陆。论文的具体工作主要包括:第一,对垂直软着陆火箭的精确动力学建模。考虑地球自转和扁率在着陆坐标系下建立火箭的质心动力学方程,在箭体坐标系下建立火箭绕质心转动运动方程,结合火箭的执行机构分析了火箭受到的力与力矩,为后文的设计奠定了基础。第二,综合考虑箭载计算机的计算性能以及着陆的精度需求,利用四次多项式制导实现了火箭的垂直软着陆,并通过仿真进行了验证。通过蒙特卡洛仿真验证了存在大气扰动、风力影响、火箭自身性能偏差条件下制导律的性能,并基于仿真结果为大气减速段提供了一个合理的末端约束。通过蒙特卡洛仿真结果给出了在初始位置、速度确定条件下火箭的可达区域。第三,建立了火箭垂直着陆的非线性姿态控制模型。针对垂直着陆段火箭受到的复杂内外扰动以及自身位置、速度、姿态之间存在的耦合,设计了基于干扰观测器的非奇异终端滑模控制方法。利用滑模观测器对干扰量进行估计,用得到的估计量对控制器进行补偿,仿真结果表明干扰观测器的估计效果较好,控制器能够精确跟踪指令姿态。最后,对火箭进行了垂直着陆段制导控制方法的六自由度仿真,系统地验证了所设计的制导控制方法的综合性能。