现阶段,由不同轨道高度卫星构成的多层星座网络逐渐成为未来卫星网络发展的主流趋势;这是因为多层卫星星座网络不仅兼顾不同轨道卫星的优点、灵活组网,而且双层卫星星座网络也具有较强的抗毁能力。卫星星座网络因其卫星节点的运动和用户的不均匀分布等特征,使得网络很容易出现负载不均衡的问题,从而造成部分卫星节点或链路阻塞,降低网络性能;卫星通信过程中卫星链路在故障或受到干扰的情况下,会发生数据丢失,而在热点区域如果仅仅使用单一路径传输数据,会出现局部卫星节点负载过重,甚至会出现局部卫星节点阻塞的情况。针对以上问题,本文对双层卫星星座网络和星上路由算法进行了深入的研究。本文的主要研究内容如下:（1）基于GEO/LEO双层卫星星座的网络模型首先对GEO/LEO双层卫星星座网络的参数进行了研究与优化,接着在研究卫星通信中微波与激光通信的基础上,对双层星座网络中的星间链路和星地链路进行了深入研究与分析;然后针对卫星星座设计的目标,提出了一种基于GEO/LEO双层卫星星座,并对覆盖全球的GEO/LEO卫星星座模型设计的目标和卫星星座的参数设计进行分析,最后基于STK仿真软件,对本章所提出的GEO/LEO卫星星座进行建模与性能分析,仿真从GEO/LEO卫星星座对全球、两极区域和北京站的覆盖性能以及星座网络中LEO与GEO卫星连接情况进行了分析和验证。（2）基于链路状态的GEO/LEO路由优化算法在GEO/LEO双层网络模型的基础上,提出了基于双层星座网络的虚拟节点策略与分组管理策略。利用虚拟节点与分层分组管理的方法来屏蔽卫星网络中卫星节点的快速运动,从而减低星上路由算法的复杂度。接着提出了一种基于链路状态的路由优化算法,将影响链路状态的传输时延、排队时延和卫星节点链路负载等因素加入到链路代价中,对链路状态进行综合评价,并将其引入到蚁群算法的目标函数中进行求解,相比于只考虑单一距离或者跳数的蚁群算法,所提出的路由优化算法能够根据目前的链路代价和节点概率函数选择合适的节点作为下一个节点,从而完成网络路由的计算。（3）基于GEO/LEO双层星座网络的阻塞回避方法首先提出了基于优化算法的多路径路由策略,通过路由优化算法为GEO/LEO双层星座网络计算最佳路径和次优路径,并利用Dijkstra算法为网络计算一条包括GEO卫星节点的最短路径;所提算法在通信过程中,采用多路径的策略、GEO卫星及时为高负载链路分流。在多路径路由策略的基础上,提出了一种基于多路径的阻塞回避路由算法,采用卫星节点的缓存利用率和卫星链路的利用率联合判断卫星及其出口链路是否处在超负荷状态,其中,缓存利用率用来判断卫星节点工作是否超负荷,链路利用率判断卫星链路是否阻塞。最后构建了一种基于用户优先级的仿真系统模型,在该模型中划分业务和用户类别,并设置优先级,据此在卫星节点上划分出对应优先级的队列并分配不同的比例,然后采用基于优先级的加权轮询调度策略对数据进行发送。