在未来空天地一体化信息网络融合的发展趋势下,卫星网络作为这一体系的重要组成和衔接部分将逐渐受到重视和青睐,而国内外关于卫星网络的研究还不成熟,很多关键技术和核心问题的解决还处于起步阶段。由最初的同步轨道卫星发展到现在的中低轨单层星座以及多层协作卫星网络,利用卫星实现全球、应急以及军事等特殊环境下的通信优势越来越明显,其中,随着业务类型多样化、卫星网络骨干化以及传输特性高效化等要求,兼顾多层、多类型卫星优势的多层星座逐步成为了大多数卫星网络设计的基本模型,从而,如何实现大规模、多层复杂卫星网络的有效管理和可靠性设计是整个卫星通信系统设计的核心问题。针对卫星网络拓扑结构的高动态性、链路传输的长时延性、多层结构的层次性和星上资源的紧缺性等特点,本文通过对网络稳定性参数的分析,研究了多层卫星网络稳定性设计过程中的几个相关问题:第一,多层卫星网络的拓扑特性分析。由于非同步卫星节点的高动态特征,卫星网络的拓扑结构随着时间不断的变化,这使得卫星网络与地面通信网络有着很大的区别。因此,在此部分中,通过对多层卫星网络空间几何结构和层次特征的深入研究,提出基于超立方体网络结构的拓扑形态和最优分层结构参数,并建立多层卫星网络的稳定性骨干拓扑模型。此外,分析了排队约束优化模型的基本原理和相关参数,为多层卫星网络稳定性设计中所建立的多级排队优化模型提供理论支持。第二,多层卫星网络稳定性及抗毁路由策略。首先,结合历史上出现过的网络稳定性参数和通信网络流模型,提出适合于刻画多层卫星网络各个子网抗毁性能的稳定性度量函数。然后,通过对目前卫星网络常用的基于离散化状态时延抖动性能的分析,提出多层卫星网络动态QoS路由切换保证的基本策略和稳定性拓扑结构分群设计的可行性。第三,基于稳定性分群的多层卫星网络设计。首先,利用网络节点间的业务相关性和网络稳定性度量函数对各个子网进行物理稳定性分层。然后,根据分层后的层次拓扑结构,建立多级排队传输模型和系统约束优化方程,并结合网络节点的逻辑权重和系统的动态业务输入稳定模型,利用理论分析和系统仿真,优化子网的网关数目和逻辑位置,进而实现网络逻辑分群。本论文通过对多层卫星网络的稳定性分析与设计,提出了基于超立方体骨干结构和稳定子结构的多层卫星网络设计的新思路和新方法,可以为我国未来大规模卫星网络的高效、可靠管理以及组网建设提供很大的帮助。