随着空天一体化的推进和航空航天技术的急速发展,众多业务对卫星组网需求越来越迫切。受限于单颗卫星的性能限制,大规模卫星自组织网络成为研究热点。本文面向大规模卫星自组织网络场景展开相关技术研究,包括研究其相关路由协议,根据应用层典型任务场景以及底层拓扑时变特性进行综合设计和仿真实现。为上层应用提供可预期的、可保证的网络通信服务。首先,本文面向大规模星群动态组网场景,结合卫星星群的运行轨道参数特征以及Qo S要求,提出卫星集群组网方案。本章建立了从物理层、数据链路层到网络层的星间自组织网络架构,该网络架构能满足高动态时变拓扑下大规模卫星组网需求。本文通过搭建OPNET仿真平台,导入卫星实际运行轨道,对上述方案进行仿真验证,从多个维度验证了该方案的正确性和优越性。其次,本文针对卫星网络中的无线信道资源利用问题、网络拥塞问题以及通信传输时长问题,提出了一种基于曼哈顿网络模型的区域路由方法来保障大规模卫星网络中的可靠路由,参考曼哈顿网络模型,简化路由转发动作,节省路由控制报文开销。然后本文针对特殊卫星网络场景和路由振荡现象对该方案进行仿真完善。仿真表明,该方案相对于传统OLSR路由方案,能够有效节省路由开销和无线信道资源。最后,本文针对采用OLSR路由协议的小卫星自组织网络易遭受节点隔离攻击的问题,提出了基于区块链的安全架构。本文针对小卫星体积小,资源有限的特点,对区块链的结构及共识算法进行适应性改动,使基于区块链的安全架构能够适应小卫星自组织网络的特殊场景,最后通过仿真验证了该方法各项功能的有效性。