随着现代卫星技术的迅速发展和应用普及,由多颗小卫星组成的卫星星座在军事、政治、经济和文化等各个领域都扮演着越来越重要的角色,逐渐成为人们日常中不可或缺的一环,其涉及领域包括气象预报、导航定位、卫星授时、军事侦察、通信、资源勘探、天文观测等。卫星科技也逐渐成为各国角力的领域,极大的影响着国家的繁荣发展。卫星星座建立是一项耗费巨大人力物力的长期工程,在设计星座时总是希望在最小费用的情况下最大化星座性能和效益,同时最大程度的降低风险和延长星座的生命周期,而卫星星座设计是星座部署和运行的第一步,因此星座设计对星座性能和效益起到极其重要的作用。一方面,卫星星座的最优化设计是一项非常复杂的工作,它具有影响因素庞杂、约束条件种类和数目繁多、星座性能评价耗时、工程可靠性要求比较高等一系列特点,使得其面临极大的挑战；另一方面,星座构形是卫星星座的重要组成部分,不同构形的卫星星座对特定地面任务具有完全不同的性能,而且各种摄动因素对星座中卫星轨道的影响进而导致星座性能稳定性的影响和星座的构形有很大关系,因此分析星座构形、研究不同构形的特征、并将星座构形的考虑融合到卫星星座设计中是十分必要的。同时,在将卫星星座设计结果应用到实际工程中之前,我们往往需要对其各个因素进行模拟分析、对星座效果进行可视化仿真,进而论证设计方案的可行性和正确性,只有在确保方案准确无误后才能实施设计方案。鉴于以上原因,综合卫星星座要素分析、星座性能评估、星座仿真以及星座优化设计等功能于一体的卫星星座软件包的开发设计也是很有意义的。本文首先分析研究本课题的背景和意义,之后主要从卫星星座优化设计中的模型、算法、二者的结合应用和卫星星座仿真软件两个方面的国内外现状,分析了现有优化模型的优缺点,进而引出本文的研究内容。其次本文详细介绍了星座设计的一些基础知识：包括卫星轨道的参数表示,各种类型特殊但是常用的卫星轨道的介绍、分析、计算及应用场景,其中包括本文开发的基于各种特殊轨道的卫星轨道可视化向导软件;卫星星座覆盖计算的方法,其中包括时间窗口计算和覆盖计算两个部分,以及其中对特定地面目标需要的进行时间窗口的切分方法；星座知识,其中包括各种特殊的常用的星座介绍、分析、计算及应用场景,以及本文开发的基于各种构形的卫星星座的可视化向导软件；星座设计,其中包括星座设计中的一些设计准则。然后本文介绍从三个方面介绍了特定构形星座优化设计：优化目标,其中包括评价星座性能的常用指标；星座优化模型,其中包括Walker-δ星座、Sigma星座、Rosette星座、Star星座、Flower星座的优化模型：群智能优化算法,其中包括本文用到的单目标优化算法DE、多目标优化算法NSGA-Ⅱ和EPSMOEA算法、Many-Objective优化问题中面临的问题和解决方法及Many-Objective优化问题常用的测试函数。最后是本文在之前理论分析基础上的一系列数据实验,包括整个优化器的优化流程、星座参数和卫星参数的取值区间、三个算法各自的参数设置、本文用到的地面目标的参数设置,然后就是实验数据部分和实验结果的分析。