低轨大规模通信星座由于具有低时延、生产快、利润高等优势,目前已经成为了航天以及通信领域的重要应用。而由于卫星数量众多,卫星的失效情况也屡见不鲜,短期失效的卫星尚可以进行修复,而长期失效的卫星则需要对其进行替换。因此,需要提前对星座做出备份策略以应对各种失效情况。常规备份策略包括在轨备份、停泊轨道备份以及地面备份三种,其中在轨备份由于其响应速度快的优势,常用于各类星座,而对于可用性要求不高的通信星座而言,停泊轨道备份在保证了响应速度的同时更加具有经济性。考虑到不同备份策略具有不同的优缺点,本文主要针对停泊轨道备份及在轨备份两种备份策略进行了研究。首先,本文提出了一种基于二维图像法求解Walker星座对地覆盖性能的快速求解方法。通过将卫星的升交点赤径和纬度辐角映射在二维图上,选择覆盖情况发生重复的最小单元,通过可见范围平移覆盖单元内所有临近卫星,求得星座在该纬度下的不同重数覆盖百分比,从而得到星座的完整覆盖情况。该方法利用了Walker星座的构型特点和运动的周期性,简化了覆盖性能的求解步骤,避免了过多的重复计算,在保证计算精度的同时提高了覆盖性能的求解效率。该方法对通信星座的服务可用性计算提供了有效的支持。然后,本文提出了一种基于粒子群优化（PSO）算法求解多脉冲异面交会轨道的方法。该算法处理的任务目标为,给定初始时刻停泊轨道备份卫星和失效卫星的空间位置和速度,要求在给定时间内完成轨道交会。该算法利用了Lambert算法处理最后两个脉冲以满足轨道交会约束,在这个过程中航天器轨道的变化以脉冲的大小和脉冲的作用时刻作为独立变量,在优化过程中以燃料消耗作为优化目标,基于粒子群优化（PSO）算法求解得到燃料最优交会轨道。该方法相较于传统方法更省燃料,也更易于工程实现,为停泊轨道备份策略中轨道交会计算提供了有效的支持。最后,本文研究了低轨通信星座针对不同可用性模型下的最优备份策略求解方法。本文基于Markov状态转移模型给出了单颗卫星和整体星座的状态失效模型,并提出了基于卫星正常工作时间占比的星座SIS层可用性模型。针对通信星座对地覆盖的要求,本文通过基于二维图的星座覆盖性能求解方法,提出了基于星座覆盖性能的服务层可用性模型。针对这两种模型,本文提出了最优在轨备份策略和最优停泊轨道备份策略的求解方法,综合考虑了不同备份策略对星座可用性的提升情况及该策略的经济性得到最优策略。