新一代卫星导航系统将普遍在卫星之间建立具备测量和通信功能的星间链路,实现卫星之间的互联互通。为提升信息速率及抗干扰能力,星间链路逐渐向高频段窄波束的方向发展。时分多址技术使星间观测量数量不再受到星上天线数量制约,在提升定轨、自主导航等测量性能方面具有明显的优势。在此背景下,窄波束时分体制星间链路成为近年来研究的热点。提升星间链路网络的通信能力有助于实现星间网络资源的高效利用,进一步拓展卫星导航系统服务并提升竞争力。但窄波束时分体制星间链路网络拓扑变化频率快、网络间歇性连通、通信时延大等特点给网络通信能力带来重大挑战。论文围绕窄波束时分体制星间链路网络的优化设计展开深入研究,研究结果既适用于Ka频段星间链路网络,也可为未来更高频段星间链路网络设计提供参考。论文的研究成果和主要创新点包括:(1)针对星间链路建链参数设计指标体系不完备的问题,论文提出理想链路时延、星地星间通信带宽、自主导航加权精度因子综合满意度最高的建链参数优化方法,对建链时序、时隙长度以及拓扑设计时间片划分等参数进行优化设计,提高了网络通信与测量性能。相比传统设计方法,可将零丢包最大上注速率及零丢包最大下行速率均增大一倍,平均时延减少75%以上,平均自主导航加权精度因子减小9.5%。(2)针对基于网络拓扑的路由算法没有考虑卫星内部数据排队影响的不足,提出基于卫星队列信息的网络路由算法,从本星队列信息、邻星队列信息、地面站可见卫星队列信息及全网卫星队列信息中选取对于丢包率和平均时延改进最大的信息。通过研究发现,地面站可见卫星队列信息对于提升上行数据性能效果最好;本星及邻星队列信息对于提升下行数据性能效果最好。为提高可实现性,可选取性能基本相当且实现简单的基于全网卫星队列信息的路由算法。该算法相比基于网络拓扑的路由算法,可将零丢包最大上注速率增大一倍,零丢包最大下行速率增加25%。(3)针对不同轨道高度卫星组成的混合星座中星间距离变化范围大,在全网采用固定速率会造成频谱资源浪费的问题,提出基于吞吐量最大准则的星间信息速率自适应方法。根据星间距离估计接收端信噪比进而选取合适的调制与编码方式,可实现误码率满足约束条件下的吞吐量最大。在采用同样发送功率条件下,速率自适应方法在单条链路上吞吐量最大可增大到固定速率方法的6倍。研究还发现MEO天线扫描范围对于星间链路平均频谱利用率影响显著。与采用固定信息速率、MEO天线扫描范围为60°的方案相比,采用速率自适应方法且将MEO天线扫描范围增加到80°可将零丢包最大上注速率增大25%。(4)作为以上三部分内容的进一步研究,我们还在不同的星间链路网络规模下对本文提出的星间链路网络优化方法进行评估,发现在不同网络规模下,通过网络优化设计可将零丢包最大上注速率与零丢包最大下行速率增大到传统方法的2~5倍,平均时延也有明显降低;且随着网络规模的增加,建链参数优化及基于卫星队列信息的路由算法与传统方法相比优势将更加明显。最后,对论文主要研究成果进行总结,并指出了后续的研究方向。论文的主要研究成果为北斗三号星间链路网络设计提供了参考。