随着卫星通信技术和各类航空航天通信平台技术的发展,空间通信网络将为我国未来空间科学探测、地面灾害紧急救援、远洋通信、实时导航等多个领域提供必要保障。在空间通信网络中,由于各类空间节点之间的相对运动和轨道高度的差异,导致网络拓扑状态和连接属性动态变化、连接频繁中断等问题,给空间任务的高效执行带来巨大挑战。本文以临近空间层和卫星网络构成的空间通信网络为研究背景,围绕空间通信网络中连接的成本效益、可靠性和负载均衡等问题,对空间通信网络中的连接计划设计(Contact Plan Design,CPD)展开研究。本文主要工作概括如下:(1)提出基于定向时空图的CPD方案。针对空间通信中的网络时空连通性问题,综合考虑连接成本和连接可靠性,提出了三种基于定向时空图的CPD方案。首先,构建了由卫星网络和临近空间层组成的双层空间通信网络模型。然后,通过分析网络的时间演进特性和节点轨迹的可预测性,设计了定向时空图对动态网络进行静态离散化。接着,为了最小化网络连接成本、最大化网络连接可靠性,定义了基于空间距离与载波频率的连接成本和连接可靠性。最后,通过引入贪婪算法的思想将CPD问题分解为多个子问题的集合,并提出了三种通过贪婪算法求解的CPD方案。仿真结果表明,所提出的CPD方案可以有效地提升网络连接可靠性、降低网络连接成本,而且随着网络密度的增加,成本效益更高。(2)提出基于层间协作的负载均衡CPD方案。针对地面中继业务量变化导致的空间连接负载不均衡甚至拥塞的问题,提出了两种基于层间协作的负载均衡CPD方案。首先,为了充分挖掘空间通信网络的层间协作能力,综合考虑了各层空间节点的移动性、覆盖范围和处理能力,构建了基于虚拟组管理的空间通信网络结构。然后,综合考虑空间连接负载、地面中继业务量和地面通信设备数三者之间的关联性,通过管理层预测地面中继业务量后计算给出中继层的全局连接计划。同时,针对全局连接计划无法适应突发的中继层局部负载波动问题,通过考虑剩余时间容量设计了中继层局部连接管理策略。最后,提出了两种CPD方案,旨在通过管理层全局连接计划和中继层局部连接管理的层间协作方式实现空间连接的负载平衡。仿真结果表明,所提出的CPD方案能够优化空间通信网络在数据传输时的丢包率、平均端到端延迟和负载均衡的性能。