在地面无线网络中，应用MIMO(Multi-Input Multi-Output，多输入多输出)技术可以获得较大的空间复用增益和分集增益，于是人们产生了把MIMO技术应用到卫星通信中的想法。然而由于地面无线信道和卫星信道存在着根本性的差异，如何将MIMO技术应用到卫星通信将是一个挑战性的课题。应用MIMO技术需要有丰富的散射环境，以满足信道之间相互独立的条件，而卫星链路的LOS(Line Of Sight)特性无法满足该要求。因此，最基本的问题是如何产生相互独立的卫星信道以实现MIMO技术。考虑到单颗卫星星上空间有限以及中低轨卫星星下点位置不固定会造成MIMO通信链路的不稳定，本文将研究在GEO(Geostationary Earth Orbit，同步轨道)卫星上部署双极化天线实现MIMO通信系统。在对该系统进行相关传输特性研究前，首先应了解其信道传播特性。与此同时，可以利用信道特性来建立模型，验证各种通信技术的可靠性和有效性。本文对单星双极化MIMO系统和分布式卫星双极化MIMO系统进行了研究，给出了其系统构成，并针对这两种系统，分别提出了多状态马尔科夫双极化卫星MIMO信道统计模型。在模型的建立过程中，以小尺度衰落模型为研究重点，引入多普勒频移对小尺度衰落的影响，选用适当的MIMO信道模型形式，在保证子信道之间相关性的同时保持信道的统计特性不变。接下来对建立的信道模型进行仿真，统计各个子信道的累积概率分布、电平通过率和平均衰落持续时间并与理论值进行对比，验证所建立模型的理论上的正确性。与此同时，在建立信道模型的基础上，进一步研究精确后验概率MIMO检测、线性软输出MMSE(MinimumMean Square Error，最小均方误差)检测两种软输出检测算法的公式推导过程，并在两种算法的基础上，提出了一种性能好且硬件实现复杂度低的改进的线性软输出算法。最后根据所提出的信道模型，对两种检测算法进行了软硬件仿真，验证了所提出算法的检测性能。