量子密钥能够为数据通信提供无条件的安全,随着全球范围安全通信需求的不断增加,需要为超远距离地面节点分发量子密钥,构建全球量子保密通信网。然而在超长距离和洲际量子通信中,光纤传输受限于传输距离和损耗,而自由空间量子密钥分发具有传输损耗低和覆盖范围广的特点,是未来实现全球量子通信网的有效途径。鉴于单颗量子卫星覆盖范围有限,需要构建面向量子密钥分发的卫星网络,如何利用和分配卫星资源进行密钥分发的问题亦亟待解决。为解决上述问题,本论文围绕“如何利用和分配量子卫星资源进行密钥分发”的问题,设计了量子卫星网络的组网结构,并沿着“基于可信中继组网”和“基于量子中继组网”两个方向,提出了基于可信中继的卫星路由和资源分配方案,同时探索了基于量子纠缠的卫星密钥分发方案。本文主要从以下三个方面进行研究工作:第一,针对量子卫星网络的组网结构设计问题,首先提出了由高轨和低轨卫星组成的双层量子卫星网络结构,能够充分结合不同轨道卫星的优势,克服低轨道卫星对地覆盖时间短的问题,并为后续研究密钥分发业务的资源分配问题提供了基础。第二,针对基于可信中继的量子卫星网络中资源分配问题,研究基于可信中继的路由和密钥分配方案(JGL-RKA)。该方案基于双层量子卫星网络结构,建立面向动态拓扑的量子卫星网络资源描述模型,提出高低轨联合的路由和资源分配算法。此外,本章还进一步探讨了节点和业务因素对密钥中继方案性能的影响。仿真结果显示,双层量子卫星网络的业务成功率相比于单层网络能够显著提升13%左右,在大业务量时密钥中继成功率仍能有85%以上。第三,针对基于量子中继的量子卫星网络中密钥分发问题,研究基于量子纠缠的传输质量保障卫星密钥分发方案(QG-RTA)。该方案阐述了面向多业务的卫星密钥分发方案,设计了考虑中继效率的密钥分发路由和资源分配算法。仿真结果显示,考虑中继效率的资源分配算法能够有效提升密钥分发业务的传输质量5%左右,并在拓扑变化时仍能维持较高的业务成功率。