卫星的广域覆盖特性使得卫星通信依然是解决沙漠、山地、海洋等地区网络覆盖问题最有效的方式,发展基于LEO星座的空间互联网系统具有重大的经济价值和战略意义。相对于传统卫星通信系统,空间互联网系统具有高带宽,低时延的特性;而相对于地面网络,其拓扑动态变化剧烈,链路误码率高,切换频繁,且星上功率、处理能力有限。本文介绍了空间互联网系统组成结构、工作模式和特点,并在低轨星座设计、星间链路分析、高效路由算法和信关站布局优化等四个方面进行了研究。主要工作包括:1)低轨卫星星座设计与星间链路分析。采用覆盖带分析法求解满足连续覆盖约束的低轨卫星星座,当单星覆盖范围有限时,星座卫星数目迅速增加;将卫星星座分为倾斜轨道、对称和非对称极轨道星座,分析轨道参数对星座构型的影响;以卫星总数最少为目标,综合比较三类不同星座下最优星座构型;结果表明非对称极轨道星座构型所需卫星总数最少。此后分析了星座参数对异轨永久星间链路拓扑特性、通信性能的影响。2)融合地面网络的动态分布式分组路由算法设计与仿真。由于空间互联网系统链路变化剧烈、传输误码率高、星上计算资源有限、网络管理系统复杂,因此提出了融合地面网络的动态分布式分组有算法;借助无线Mesh网络的思想,在卫星网络中引入网关节点和路由器节点,无需计算分组目的地与卫星的覆盖关系;改进了虚拟节点法,通过跟踪卫星星下点纬度范围变化而更新卫星虚拟地址并屏蔽网络动态性;引入路径选择域的概念,辅助进行分组转发下一跳方向选择;基于最大化路径选择空间的思想,提出了剩余跳数优先的路径生成策略用于确定下一跳方向,得到较优的网络均衡性;仿真结果验证了路由算法的有效性。3)信关站布局优化建模与求解。在全球业务量不均匀分布模型下,采用前述路由算法求解网络性能并作为优化目标函数,建立了信关站布局优化模型,并采用遗传算法求解得到了最优布局。仿真结果表明,在优化求得的信关站布局下,网络均衡性显著提升。