随着“空间经济”和“互联网经济”逐渐成为经济发展的新增长点,世界各国对发展空间信息网络(Space Information Networks,SIN)越来越重视。结合我国国情,建设和部署面向区域覆盖的空间信息网络是实现网络强国的必由之路,也是最终实现信息网络全球覆盖的基础和前提。空间信息网络结构优化设计是SIN的顶层设计,根据SIN分层结构,优化过程可以拆分为对临近空间段高空平台(High Altitude Platform,HAP)网络和对空间段卫星星座网络的优化。论文考虑到网络结构的复杂性和优化方向的多样性,同时为了网络服务能够尽可能匹配目标区域的需求分布,将结构优化设计建模为一个多目标多约束优化问题,分别对临近空间段HAP网络和空间段卫星星座进行优化设计研究。论文的主要研究工作包含如下:考虑到SIN结构优化是一个复杂的组合优化问题,第二章引入多目标进化算法,并重点介绍了非支配分层排序多目标进化算法(Non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA2)。针对NSGA2在解决实际问题时解收敛缓慢和易陷入局部收敛的缺陷,本文提出了引入动态反向学习机制和差分局部变异算子的改进NSGA2,通过比较评价指标,改进算法相比原始算法在解收敛性和分布性上都表现更优。为了在广阔区域构建多HAP的SIN,第三章提出了一种广域覆盖HAP通信网络多目标优化设计方法。考虑到在广域范围内HAP只能够单独为用户提供服务,以及重叠覆盖范围内的信号干扰,建立了广域覆盖HAP通信网络模型。为兼顾资源分配、服务可达率及载荷代价等因素,结合目标区域内需求分布,以各HAP的等效全向辐射功率和部署位置为设计变量,建立了以匹配度、网络覆盖率和总功耗等因素为目标的多目标优化模型。为验证方法的有效性,以我国南海海域为目标区域进行仿真,并用第二章提出的改进NSGA2对模型进行求解得到Pareto解。为了在城市上空构建多HAP的SIN,第四章提出了一种城域覆盖HAP-VMIMO通信网络多目标优化部署方法。考虑到城域范围内HAP间通过信号合并同时为相同用户服务的特点,建立了由多HAP构成虚拟多输入多输出(Virtual Multiple-Input Multiple-Output,VMIMO)的HAP-VMIMO通信网络模型,并提出了一种基于网络容量资源匹配用户需求分布,并兼顾提升系统网络容量的多目标优化部署方法。然后,以长江三角洲城市群为目标区域进行仿真,验证了该部署方法的有效性。为了使用卫星星座向特定区域构建SIN,第五章提出了一种区域覆盖强抗毁卫星星座多目标优化设计方法。首先,分析了适用于无向无标度静态网络的抗毁性指标:自然连通度。基于此,结合卫星网络的周期动态性特点,提出了分别适用于单层卫星网络和HAP-MEO-GEO混合卫星网络的抗毁性测度,并对Walker和Flower星座进行了抗毁性分析。然后,建立了以抗毁性测度和覆盖率为优化目标的星座优化模型,并对多目标进化算法如何求解模型进行了叙述。最后以我国陆地范围为目标区域,求解并获得了在单层卫星网络时具有12颗卫星的Walker和Flower构型下的Pareto解,验证了该星座设计方法的可行性。