高超声速飞行器具有较强的非线性、耦合性、快时变性和不确定性,给控制器的设计带来了挑战。分数阶微积分具有滤波特性和记忆性的优势,将分数阶微积分理论与传统控制理论相结合所得的分数阶控制,兼具二者的优点,可以提高系统的鲁棒性和动态特性。本文采用分数阶控制方法,研究高超声速飞行器再入段的无动力飞行姿态控制。针对高超声速飞行器姿态控制问题,开展了分数阶全局滑模姿态控制方法研究。首先,在反馈线性化的基础上,设计了分数阶指数时变滑模姿态控制器,使系统全局处于滑动模态,保证了系统的全局鲁棒性。其次,针对边界层法导致的控制精度降低问题,引入慢时变扰动观测器,设计了基于慢时变扰动观测器的分数阶指数滑模控制策略,在削弱抖振现象的同时,提高了系统控制精度。针对前文设计的慢时变扰动观测器的限制,开展了基于扩张状态观测器的分数阶滑模姿态控制方法研究。首先,针对姿态角导数信息无法测量的问题,以及慢时变扰动观测器对扰动频率的限制问题,设计了扩张状态观测器,实现了姿态角导数信息的观测,提高了对不同频率扰动的适应性。其次,在反馈线性化的基础上,引入姿态角导数观测信息和扰动观测信息,设计了分数阶PID滑模控制律。该方法在取得消抖效果的同时,保证了系统的控制精度和鲁棒性。针对反馈线性化对模型高精度的要求限制问题,开展了基于反步法的分数阶滑模控制方法研究。根据反步法的思想,将非线性模型分为姿态角子系统和角速率子系统,分别设计虚拟控制量和分数阶PID滑模控制律,并将切换项置于积分项中。该方法能够有效削弱抖振现象,提高系统收敛速度、控制精度,并增强系统对外部干扰的鲁棒性。针对反步法的计算爆炸问题,引入一阶微分低通滤波器,解决了虚拟控制量导数的获取问题,并降低了计算难度。仿真验证了本文所设计控制器的有效性。