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现有的卫星通信系统星座组网方案绝大多数为单层卫星星座组网方案。按卫星轨道高度可分为单层低轨道卫星组网、单层中轨道卫星组网和单层地球静止轨道卫星组网三类。典型的单层低轨道组网方案有铱系统（Iridium）、全球星系统（Globalstar）等。典型的单层中轨道卫星组网方案有Odyssey、ICO等系统（此两系统至今都未建成）。典型的单层地球静止轨道卫星组网方案有国际通信卫星系统（Intelsat）和海事卫星系统（Inmarsat）。
利用地球静止轨道卫星进行组网。卫星的运行轨道高，单颗卫星的覆盖范围大。卫星间可以不采用星间链路，业务的多星转发可通过地面中继站完成。
地球静止轨道卫星组网的主要优点如下：
（1）卫星的轨道较高，实现全球覆盖所需要的卫星数目相对少，理论上只需要三颗卫星即可覆盖南北纬度低于75°的全部地区；
（2）卫星相对地面静止，可采用赋形波束天线覆盖服务区，卫星辐射功率得到有效利用；
（3）卫星相对地面静止，星地通信链路稳定、不需切换，多普勒频移小；
（4）卫星相对地面静止，海、陆、空、天用户接入卫星时，通信链路比较稳定，链路保持时间长，方位角变化速率小，链路的捕获、跟踪和保持比较容易实现；
（5）卫星之间位置固定，采用星间链路组网，其链路可以持续保持；
（6）卫星相对地面静止，组网后的网络管理相对简单。
地球静止轨道卫星组网的主要缺点如下：
（1）不能覆盖两极高纬度地区，无法实现包含两极的全球通信；
（2）星地间传输距离远，传输路径电波损耗大；
（3）星地间传输时延大，往返传输一跳约240～270ms；
（4）由于卫星数量少，系统顽存性差，整星突然失效易引起系统瘫痪；
（5）对超出国内测控站视距以外的组网卫星，又无法在境外建站进行测控情况下，只能组网卫星间增建星间链路，国内测控站通过星间链路对视距以外的卫星实施测控管理。
由于低轨道/中轨道星轨道相对较低，单星覆盖面积小，所以通常需要在多条轨道上布置多颗卫星才能满足全球覆盖的要求。一般来说，LEO卫星组网需要的卫星数量大约几十颗甚至上百颗，MEO卫星组网需要几颗到十几颗卫星。在LEO/MEO卫星网络中，卫星之间通过建立星间链路相互通信，远距离业务的传输完全由多颗卫星进行星上路由转发来实现而不需要地面站的参与，因此信息的传输具有更大的自主性和灵活性。
低轨道/中轨道卫星组网的主要优点如下：
（1）可以有效地实现全球无缝覆盖，并可以实现区域的多重覆盖；
（2）卫星的轨道低，信号传输路径损耗小，易于实现个人手持终端通信；
（3）卫星的轨道低，信号传播时延小，利于提高网络的通信性能；
（4）移动终端对于卫星的通信仰角较大，信号不易受到地面反射的影响，可以避免多径衰落；
（5）组网卫星多，星间链路和网络节点可以有较大的冗余，可以有效地增加系统的抗毁性能；
（6）具有星上路由转发能力，业务数据的传输可以完全由卫星来实现，不需要在全球建立地面站来支持系统的运行，极大地降低了系统的建设难度。
低轨道/中轨道卫星组网的主要缺点如下：
（1）要实现全球覆盖，需要较多卫星，网络结构复杂；
（2）卫星要求具有路由转发能力，增加了系统的设计和实现难度；
（3）采用星间链路进行通信，由于星间距离、星间方位角都随着卫星的运动而发生变化，对星载天线的捕获、跟踪、保持带来较大的难度；
（4）由于网络的卫星数目较多，卫星网络结构复杂，网络测控管理较复杂。
以下以低轨道卫星网为例，来说明情况。
一种典型的低轨道星座卫星网构型如图2-26所示，轨道参数如表2-5所示。
图2-26 低轨道星座卫星网构型
表2-5 低轨道星座轨道参数
此低轨道星座技术特性如下：
（1）系统覆盖特性。表2-6为系统覆盖特性，图2-27、图2-28分别为10°、15°仰角下平均覆盖重数纬度分布特性。
表2-6 系统覆盖特性
图2-27 10°仰角下平均覆盖重数纬度分布特性
图2-28 15°仰角下平均覆盖重数纬度分布特性
（2）异轨面星间链路动态特性。表2-7为系统星间链路动态特征。
表2-7 系统星间链路动态特征
注：以上星间链路动态特性是在建立异轨星间链路的两颗卫星中的一颗卫星的本体坐标系下计算得到的
（3）链路传输时延特性。表2-8为LEO系统时延。
表2-8 系统时延
（4）系统抗毁性及冗余性。星座分布卫星较多，双重覆盖率较高，抗毁能力强。
多层星座网络拓扑结构可以充分结合高、中、低轨道各自的优势，不同轨道层的卫星间利用层间链路，形成一个立体结构的卫星通信网，多年来也得到研究者的关注。例如，休斯（Hughes）公司曾提出过Spaceway宽带卫星通信系统，计划用8颗GEO卫星和20颗MEO卫星组成双层星座网络；摩托罗拉（Motorola）公司曾提出过Celestri宽带卫星通信系统，计划用9颗地球静止轨道（GEO）卫星和63颗低轨道（LEO）卫星组成双层星座。
在多层星座构成的卫星网络中，低轨卫星的数量最多，且卫星轨道高度低，利于地面终端各种业务的接入，可作为系统的接入节点。中高轨道卫星节点动态特性相对低轨卫星节点弱，卫星载荷往往比较大（相对于低轨卫星），可作为系统的核心交换节点。因此在多层星座网络中，大部分的业务都是由低轨卫星接入，而被低轨卫星转发到上层轨道卫星节点进行进一步的路由转发的。这种多层星座卫星组网的形式完全符合天空地一体化网络中核心卫星通信网络的设计要求。低轨卫星层和中高轨道卫星层分别作为网络的接入层和骨干传输层。
在本章文献[8]的研究工作中，提出了一个低轨道/中轨道/静止轨道多层星座设计目标和满足此目标的设计方案。
提出的多层星座设计目标如下：
（1）低轨道层卫星对地球的覆盖率达到100%；
（2）中轨道层卫星对地球的覆盖率达到100%；
（3）中轨道层卫星对低轨道层卫星的覆盖率达到100%；
（4）静止轨道层卫星对地面的覆盖率达到100%；
（5）任意一个用户在任意时刻接入卫星的链路持续时间（不切换）≥5min；
（6）对同一地面站的连续覆盖时间≥8min；
（7）卫星星座的系统周期最小；
（8）卫星轨道数和卫星个数尽可能少。
提出的多层星座设计方案是低轨道星座采用类似于铱星的星座模型，中轨道星座采用类似于ICO星座模型。选定的多层星座参数如表2-9所示。
表2-9 低轨道/中轨道/静止轨道星座参数（最小仰角10°）
通过理论分析可知，表2-9所列的多层星座可以达到目标（1）～（4）和目标（7），通过仿真试验又验证了目标（5）、（6）可以实现。由于考虑到系统的抗毁性和鲁棒性，多层星座并未拘泥于目标（8）的要求而是增加了少量冗余卫星。
为了验证各种星座结构的性能，文献[8]做了两个仿真试验。两个试验都采用相同的卫星网络路由策略和路由算法。第一个试验比较了在网络低负载（链路利用率低于95%）情况下的低轨道、低轨道/中轨道、低轨道/中轨道/静止轨道三种卫星星座的节点端到端延迟。第二个试验比较了在网络高负载（链路利用率不低于95%）情况下的低轨道、低轨道/中轨道、低轨道/中轨道/静止轨道三种卫星星座的节点端到端延迟。其中低轨道单层星座采用Iridium星座参数，低轨道/中轨道双层星座采用Iridium和ICO星座参数，低轨道/中轨道/静止轨道三层星座采用Iridium、ICO和相隔120°的三颗GEO卫星。试验的中心节点选在北京（东经：116°23′；北纬：39°54′），剩余的12个试验节点纬度不变，经度依次向东推进15°。节点间的端到端延迟是运行24h模拟时间后取的平均值。图2-29、图2-30是仿真试验结果。
图2-29 链路利用率为90%时各节点到中心节点的端到端延迟
图2-30 链路利用率为98%时各节点到中心节点的端到端延迟
从仿真结果可以看出，在链路利用率为90%的低负载情况下，由于传输延迟起决定性作用，低轨道单层星座的性能优于低轨道/中轨道双层星座和低轨道/中轨道/静止轨道三层星座。在链路利用率为98%的高负载情况下，排队延迟、处埋延迟和可能产生的拥塞延迟起决定性作用，此时双层和三层星座的高带宽、多通路、处理能力强和可靠性高的优势开始显示，使得其性能优于单层结构。由此可见，卫星网络的业务种类繁多，不存在一种适合于所有业务的星座模型，低轨道/中轨道/静止轨道三层卫星星座在某些应用场景下可能不如双层或者单层卫星星座，所以在设计星座的过程中必须以需求为牵引。