空间信息网络是我国的重要基础设施,它由同步卫星、中低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等多种空间平台以及地面网络构成,通过立体动态的空间链路进行信息交互。随着空间科学和信息技术的迅猛发展,近年来空间信息网络在国家安全、航空航天、环境监测、交通管理、工农业、反恐、抢险救灾等领域中起到日益重要的作用。与传统地面网络相比,空间信息网络具有轨位和频率资源少,卫星载荷数目受平台能力制约,卫星成本高、发射周期长,在轨维护升级困难等特点,这将导致空间信息网络难以通过简单地增加空间节点数量和提高节点能力来提高网络服务能力。因此,与传统地面网络相比,空间信息网络需要更加细致的规划设计阶段。面对不断增长的任务需求,网络容量成为设计空间信息网络过程中需要考虑的重要性能指标。同时,针对现有空间信息网络设计高效的任务规划方法,也成为了空间信息网络研究的基础和重要方向。然而,相较于传统地面网络,空间信息网络具有空间节点高动态运动、网络时空行为复杂、网络较为稀疏、两点间较难找到一条实时存在的端到端路径,网络中的大量数据需要依靠存储-携带-转发的方式抵达目的地等特性。因此,研究适用于空间信息网络的资源表征方法,是有效分析网络容量、提升网络资源利用效率的重要理论基础。因此,本文结合图论研究适用于空间信息网络的建模方法,并在此基础上分析空间信息网络容量并提出高效的任务规划方法。本文的具体内容如下:1.提出了资源时变图和资源时变冲突图来建模资源在时间、空间两个维度上的关联性与冲突关系。针对传统时间扩展图建模空间信息网络的不足之处,本文提出了空间信息网络的资源时变图来联合表征网络中观测、计算、存储、通信四种资源。资源时变图从时间空间两个维度揭示了不同资源之间的关联性,并为探索多种资源对空间信息网络中任务执行过程的耦合作用提供了理论基础。然后,提出资源时变冲突图来建模不同资源调度过程中的冲突关系,揭示了资源冲突的时变性与相关性,并为寻找无冲突的资源调度方案提供了理论基础。2.分析了空间信息网络的容量,并探索网络中星载图像压缩模块能力、存储空间大小、电池大小等参数对网络向用户提供有效信息的能力的影响。首先在网络通信容量的基础上定义信息容量来表征空间信息网络向用户提供有效信息的能力。然后,通过资源时变图来建模星载图像压缩模块、存储空间、链路带宽等资源对空间信息网络中任务调度过程的影响。另外,提出了基于能量流的时间扩展图来刻画空间信息网络中能量收集、管理过程对任务调度过程的影响。在此基础上,将资源受限条件下空间信息网络通信(信息)容量的求解问题建模成资源时变图和能量-时间扩展图上的流问题。仿真结果验证了所提容量分析方法的正确性,并说明了研究网络信息容量对空间信息网络建设的指导意义。3.设计了空间信息网络的任务规划方法。首先,根据对地观测系统任务和资源分布的不均匀性,设计了一种对地观测系统的联合观测、压缩、数传规划方法。通过资源时变图建模压缩比选择与任务数据的存储传输过程的耦合关系,并使用资源时变冲突图建模观测卫星调整姿态所需时间对资源调度的影响。在上述模型的基础上,将对地观测系统多资源协同的任务规划方法建模成一个混合整数线性规划问题,并设计了一种多项式时间的启发式算法。仿真结果表明,该方案不仅可以有效地提升网络中可承载的任务数,还有利于提升回传到地面的图像质量。另外,提出了一种基于天线切换时间的数传任务规划方法来提高中继卫星系统的资源利用率。该方案的基本思想是,在任务规划过程中根据中继卫星天线在用户卫星之间摆动时间合理安排各天线的服务次序,以达到降低天线空转时间的目的。在该方案中,通过资源时变冲突图建模中继卫星天线在不同用户卫星之间摆动所需时间对数传调度的影响,并将数传资源分配问题建模成资源时变冲突图中的独立集求解问题。仿真结果表明,该方案可以有效地提升空间信息网络的任务完成率。