小卫星集群作为一种新兴的空间分布式系统,具有成本低、容易维护、配置灵活的优点,受到了航天行业的广泛关注和研究。未来小卫星集群系统的规模将越来越大,面临的任务越来越复杂,因此构建高效可靠的组网机制,保证数据的高速、可靠、实时传输,具有非常大的科研价值和实际应用意义。本文借鉴地面无线自组网的分层式网络结构,提出了一种适用于大规模小卫星集群系统的分簇组网方案,主要研究内容如下:首先,对大规模小卫星集群系统的关键技术、体系结构及特点进行了深入的调研分析,并对相关的典型分簇算法和基于分簇结构的路由协议进行论述分析,为后续研究和工作奠定了基础。然后,针对卫星集群组网结构的特点和关键问题,提出了一种新型的自适应分布式加权分簇算法。在簇首选举上综合考虑了节点在周期内的平均连接度、载荷最大服务能力以及簇首优先级,初始化由地面控制终端计算各卫星综合权值并划分簇首和成员节点,计算完成后上注到星上,之后集群中卫星节点根据邻居及自身信息完全分布式地执行维护进程。仿真分析表明,与最小标识优先分簇算法和最大连接度优先分簇算法相比,算法生成的簇结构具有更少的簇数量、良好的稳定性,且能够有效均衡簇头节点的负载。最后,针对大规模小卫星集群组网路由稳定性以及负载均衡的需求特点,提出了一种基于分簇结构的按需多路径路由算法。算法通过分簇结构快速搜索多条满足Qo S要求的路径,并且在多路径中分配流量,通过路径修补、局部缩短等机制优化路径,减少重新发起路由启动的次数。多路径路由相比单路径路由算法能够减少由于链路频率频繁断开引起的路由开销,同时将流量负载分布在多条路径上解决了小卫星资源有限容易引发簇首堵塞的问题。实验表明,算法能够有效提高网络质量,均衡网络内节点流量负载。