随着空间信息网络和全球商业航天的快速发展,利用大量低成本卫星组建低轨星座系统,为地面提供互联网及其它各类服务,成为了未来航天和通信领域的重要发展方向。采用合理的构型是星座实现功能的前提,为提高星座效能,降低建设成本,需要预先通过构型设计和覆盖性能分析来确定卫星的部署位置。然而随着卫星数量的增加,传统覆盖分析和构型设计方法的计算量会显著增加,因此这些方法将不再适用于巨型星座系统。本论文面向当前巨型低轨互联网星座的建设需求,以巨型星座的覆盖分析和构型设计等问题为背景,针对规则同构星座覆盖性能的快速求解,倾斜圆轨道连续覆盖星座的构型设计,复杂摄动环境下低轨星座构型与覆盖性能的演化分析等问题开展研究,具体内容如下:针对传统星座覆盖分析方法计算量随卫星数量显著增加的问题,考虑低轨星座的构型特点,基于卫星覆盖区域的相平面映射和覆盖性能的重复单元理论,提出了一种规则同构星座覆盖性能的快速分析方法。该方法首先根据星座的构型对称性,确定覆盖性能在相平面上发生重复的最小周期与最小区域。随后,根据卫星空间分布和覆盖范围的映射结果,筛选出星座中可能影响该重复单元内覆盖特性的所有卫星。通过计算这些卫星覆盖区域映射的重合面积,获得星座在一个重复单元内的覆盖结果,进而得到星座对特定纬度的周期覆盖特性。最后,通过计算不同纬度目标可视范围映射的重合区域面积,得到各项覆盖性能指标的计算结果。仿真结果表明,在求解规则同构星座的覆盖性能时,所提出方法的计算量和计算时间与传统覆盖分析方法相比显著降低,且精度不受影响。作为低轨星座最常用的构型之一,当前鲜有适用于不同覆盖需求的Walker星座构型设计方法。为此,基于覆盖带理论和覆盖区域相平面映射的几何关系,提出了一种通用的Walker星座构型设计方法。首先基于星座的覆盖特性改进了传统的构型表示方式,提出Walker星座的覆盖带构型特征参数。随后,基于卫星覆盖范围的相平面映射给出了覆盖带几何特征的计算方法,再通过判定相邻覆盖带在不同宽度位置的拼接情况,得到满足覆盖需求的星座构型。最后,根据不同覆盖重数下星座的构型特点,分别提出了偶数重和奇数重连续覆盖Walker星座的构型设计步骤以及星座轨道倾角的优化方法。与传统基于构型枚举的设计方法相比,所提出方法能够根据卫星覆盖范围和所需覆盖的目标区域、覆盖重数,半解析地求解星座轨道和构型参数,在相同覆盖约束下可以获得卫星数量更少的设计结果。受入轨误差和空间环境的影响,卫星的轨道参数与设计值之间会不可避免地存在偏差,这将会对星座构型和覆盖性能产生长期影响。为分析星座构型的演化规律,建立了基于概率密度描述的卫星分布连续体模型。首先根据入轨的位置和速度偏差计算轨道参数的初始概率密度分布,随后,分别在二体、J2摄动和大气阻力摄动模型下建立轨道参数概率密度的演化方程,并采用特征线法将微分方程转化为一阶柯西问题进行计算,进而实现了对卫星空间概率分布的解析求解。参考星座构型的长期演化结果以及不同阶段的演化特点,给出了覆盖性能演化的概率描述,并基于泊松过程理论实现了覆盖概率模型的简化和降维。最后,采用蒙特卡洛方法验证了所提出星座构型和覆盖性能长期演化模型的有效性。该模型不仅能对复杂摄动环境下的星座演化规律进行描述,还可以依据期望的覆盖概率给出星座构型和卫星数量的定量估计和指导性建议。