卫星通信网络在国家的空间战略中占据着重要地位,已经受到了越来越多的关注和重视。研究建设符合我国需求的卫星通信网络,对于我国这样疆域辽阔、地形复杂的国家将具有政治、经济及军事等方面的重要意义。卫星网络的拓扑架构与路由算法是卫星网络的重要研究课题。由于建立星间链路的严格限制条件和巨大的时间开销,稳定的卫星网络拓扑结构对于卫星网络的性能影响很大。本文研究由静止轨道(GEO)、中轨道(MEO)和低轨道(LEO)卫星组成的多层卫星网络的拓扑结构设计与相应的路由协议。本文利用STK工具为MEO和LEO层设计了能够提供永久性链路的walker delta星座模型,然后以每一层内的永久性链路建立各层中稳定的网络拓扑,其中GEO卫星构成带弦环状结构,MEO和LEO层节点分别构成二维环绕结构。为减小不同层次网络之间的耦合度和在空间均衡分布层间连接,本文将地球表面分区,根据星下点位置对各层网络进行分簇,仅同一分区上方的簇两两建立层间连接,从而形成具有负载均衡和冗余备份能力的、具有适度连接的三层立体网络。在路由协议方面,本文以最小化通信延迟为目标设计了多层卫星网络的路由协议;并针对不同类型的包设计了相应的地址匹配与转发方式,加快了数据包及各种信令消息的传输。本文使用OPNET Modeler建立了多层卫星网络的仿真实验环境,实现了所设计的多层卫星网络路由协议,并进行了性能测试。仿真实验表明多层卫星网络拓扑结构稳定,路由协议具有较好的负载均衡和应对节点故障的能力。