随着全球个人通信时代的到来,小卫星技术的快速发展,低轨卫星通信系统受到了世界各国的重视,构建低轨卫星通信系统的关键在于通信卫星星座设计。通信卫星星座设计是一个多目标多约束的优化问题,即寻找满足多种约束条件下任务目标最优的星座设计方案。本文以设计覆盖中国区域和纬度带的通信卫星星座为主要内容,探索了通信卫星星座设计的优化设计方法。本文第一章概述了通信卫星星座设计的研究背景,综述了卫星通信系统和卫星星座设计的发展现状,总结了论文的主要工作和内容安排。本文第二章针对多约束条件下通信卫星星座优化设计问题,从优化模型和优化算法两个方面进行了综述,建立了通信卫星星座设计的一般优化模型,从星座模型、覆盖性能、星间链路和系统成本四个方面对优化模型中优化变量、目标函数和约束条件的构建进行了综述,重点介绍了两种多目标优化算法及其在卫星星座设计中的应用。本文第三章针对区域覆盖卫星星座设计问题,提出了4+2N星座模型,该模型扩大了传统星座模型(Walker星座模型和Flower星座模型)的解空间。基于所提星座模型,以最小化轨道半长轴和最大化星座覆盖率为设计目标,采用NSGA-II算法进行求解。结果表明,在卫星数目为3、4、5时,采用所提星座模型获得的卫星星座覆盖率更高且轨道高度更低。本文第四章针对带星间链路的纬度带通信卫星星座设计问题,将星间建链要求引入星座设计中,建立了最小化轨道半长轴,最大化星座覆盖率和最大化可建星间链路数的三目标优化模型,采用Walker星座模型简化解空间。结果表明,可建星间链路数对轨道半长轴和星座覆盖率之间关系的影响很小,且随着卫星数目的增多,在同样轨道半长轴的情况下,星座的覆盖率越大,可建星间链路数越多。本文第五章对全文进行了总结,指出了现有通信卫星星座设计存在的问题以及以后的研究方向。