随着各种对地观测卫星的不断发展，通信安全问题越来越得到人们的重视，成为卫星系统设计一个必不可少的组成部分。为了促进国际卫星通信技术的标准化发展，世界主要的空间机构组成了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)。CCSDS安全工作组对空间数据安全通信提出了要求，并对在不同网络层次上实施通信安全给出了建议，但是并没有提供具体的安全协议。结合空间对地观测卫星的特点，研究符合CCSDS通信规范的安全协议是本文的一项内容。从工程应用的角度出发，设计CCSDS推荐的对称加密算法也是本文的另一项研究内容。本文的重点主要包括以下部分：　　 一、研究CCSDS关于空间通信方面的相关建议。CCSDS关于空间通信的建议包括常规在轨系统和高级在轨系统两个部分。本文重点分析高级在轨系统的层次结构，以及系统所提供的各种服务。分析在物理层、链路层、网络层和应用层实现安全通信的特点，并对比在不同层上实现通信安全的差异。点到点、端到端和节点到节点三种通信的安全可以在不同的层上实现。　　 二、针对空间对地观测卫星在通信方面的特点，本文在CCSDS建议的通信框架下给出了一个基于链路层的安全通信协议。协议包含会话密钥协商、认证、通信参数协商、数据通信四个步骤。通信报文由头部和若干个三元组组成。本文分析常见的攻击手段，包括中间人攻击、重放攻击和拒绝服务攻击，结合给出的安全协议，采用增加客户端计算量、滑动窗口和认证的方法进行防御。　　 三、研究以硬件方式实现CCSDS安全工作组选定的对称加密算法。分析高级加密算法的流程，并使用Xilinx Virtex-4 FPGA实现该算法。内部使用100M时钟的情况下，加解密速度达到133M/S，满足常见空间对地观测卫星通信加密的要求。　　 文章最后在总结工作的基础上对后续的研究做了展望。