为满足用户能够随时随地进行通信的需求以及多种业务的性能要求,卫星通信以其全球无缝覆盖和支持大规模、多业务流量等特性已成为当前的研究重点。卫星通信网络中节点的高速移动、拓扑结构的动态变化对星座设计和最短路径优化提出难题和挑战。本文主要围绕卫星时变网络中星座设计和最短路径优化技术进行深入研究,具体内容主要包括以下几个方面:首先,简要概述了卫星通信的发展和其中的关键技术,全面阐述了星座设计和路径优化相关的基础理论,在研究卫星时变网络动态拓扑控制策略的基础上,分析总结了已有的星座设计方法和最短路径优化算法。其次,在卫星时变网络的星座设计优化研究工作中,分析了当前的星座组网结构,针对单层卫星网络抗毁能力差、处理时延高以及三层卫星网络管理复杂、链路冗余度高等问题,结合“最差观察点”以及“覆盖带”理论,分别采用Walker星座设计方法和极轨道星座设计方法对中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星和低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星进行了组网分析和星座设计,提出了一种适合我国纬度范围的双层混合卫星网络优化设计方案;同时,针对传统卫星覆盖性能指标不能对不同构型的卫星星座进行统一评价的问题,提出了一种基于层次分析法的统一评估模型。通过对仿真结果的各项覆盖性能进行综合分析,验证了该方案对中国区域的无间隙、持续性多重覆盖性能。最后,在卫星时变网络的最短路径优化研究工作中,分析了卫星时变网络的动态拓扑结构,针对Dijkstra最短路径算法在卫星时变拓扑网络中不能时刻保证路径最优的问题,结合卫星节点运动规律的确定性及卫星网络拓扑结构周期性改变的特点,提出了一种基于连接计划(Contact Plan,CP)的最短路径优化算法(CP-Dijkstra)。该算法在信息转发前,通过检查CP是否发生改变,对信息转发路径进行不同的处理,直至信息成功转发到目的节点,从而确保信息经过的一系列路径序列为最短路径。通过与传统的虚拟拓扑路由算法进行仿真对比分析,验证了该算法具有更优的网络性能。