卫星通信网络技术在我国发展迅速,广泛应用于各行各业。随着星地通信系统规模增加,卫星通信网络用户越来越多,星地通信安全越发重要。传统的基于密码学的计算安全,由于计算机计算能力的提升而面临挑战。物理层安全通过结合无线信道特性保障安全传输,因安全性高而备受关注。论文从物理层出发,研究和实现基于星地信道特性的身份认证和密钥加密通信等安全传输关键技术。论文首先对星地通信信道特性进行分析,相比于地面传输链路,星地传输链路具有高延迟和强衰减等特性。星地信道存在直射路径,主径衰落服从Rician分布,参考经典5径低轨卫星信道功率延迟分布参数,建立多抽头延时信道模型。接着论文对星地安全通信身份认证技术进行理论研究,包括基于信道特性和基于水印信息的身份认证技术。论文首先分析星地安全通信场景,由于信道具有互易性与唯一性,可以建立基于信道特性的二元假设检验模型,提取信道特征值后,计算多维检验统计量进行身份判决。论文对恒虚警概率条件和最小化代价函数条件下的认证检测门限进行了理论分析和推导,并仿真验证,结果显示信噪比10dB时认证率在90%以上。论文接下来研究了基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术的数字扩频水印身份认证,仿真验证典型信道条件下认证率、水印误码率和数据误码率等性能指标,结果表明水印扩频码率越高和水印嵌入功率系数越大时,提取的水印误码率越低,相关性越高,认证性能越好。之后论文对星地安全通信密钥生成技术进行理论研究,主要包括密钥生成过程中信道探测、信号预处理、信道特征量化、密钥协商和保密增强等模块的经典算法。对于信道特征值降噪预处理,论文主要分析了基于有效路径选择和改进小波变换的两种算法处理前后密钥不一致率(Key Different Rate,KDR)变化,仿真结果显示对信道特征值降噪预处理后初始KDR降低5%以上。之后论文仿真验证了经典量化与协商量化算法和基于交互信息与基于纠错编码的密钥协商算法的性能,结果显示等概率量化随机性高,复杂度低,基于纠错编码协商的方式交互信息少,实现简单。在物理层安全关键技术的理论研究和仿真分析基础上,论文基于图形化编程软件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)和软件无线电平台USRP(Universal Software Radio Peripheral)搭建了星地安全通信半实物试验平台,针对系统同步、身份认证、密钥生成等关键模块进行设计、仿真及实现。实物连接后测试结果证明,因非法方Eve信道与合法方Alice和Bod之间信道不一致,无法主动攻击和窃取信息,合法接收方识别发送方身份,业务数据得以安全传输。身份认证和密钥生成相关的实际测试性能曲线与理论仿真性能曲线差距在1dB以内,验证了星地安全通信系统具有身份识别和加密通信功能。