卫星通信具有覆盖率高、传播距离远、组网灵活以及不受地理条件限制等优势,在航天测控、移动通信、数字广播电视等领域获得了广泛的应用。由于卫星通信信道的开放性,处于波束覆盖范围内的任意接收机均可对卫星信号进行监听,如何保障卫星通信的安全性是一个十分重要的问题。物理层安全技术利用信号设计、编码、调制等方法在物理层实现保密通信,能够兼顾无线通信的可靠性以及安全性;然而,由于信号维度的限制,传统单频信号在利用伪码序列、人为干扰等方式实现物理层保密通信时也出现了信号处理复杂度提高、功率效率降低等问题。为实现安全、可靠的卫星通信,本文在航天科技集团卫星应用研究院创新基金以及国家自然科学基金创新群体等项目的支持下,研究基于Chirp信号的物理层安全通信信号设计及处理技术,具体的研究内容分为以下三个方面:1、在Ka频段天基测控通信环境中,用户飞行器和中继卫星间的相对运动会导致测控信号具有较大的多普勒频偏,传统直接序列扩频测控信号的捕获时间长达数秒。为保证测控通信系统能够安全、快速的建链通信,本文研究了基于类噪声Chirp波形（Chirp noise waveform,CNW）的扩频通信信号设计及快速捕获技术。首先给出了一种具有物理层安全性的CNW基扩频通信信号设计方法,推导了CNW一般化模糊函数的闭合表达式,并利用该式对CNW的多普勒容限、时频分辨力以及物理层安全容量等性质进行了理论分析。在此基础上,基于CNW大多普勒容限以及时延多普勒耦合的特点,提出了一种基于正交匹配滤波器的CNW快速捕获算法,该方法仅需时域一维搜索即可捕获到带有大频偏的接收信号,实现时延和多普勒频偏的联合估计,与直接序列扩频信号相比捕获时间有显著降低。2、多波束卫星通信系统能够利用多个高增益窄波束实现多目标的测控通信,有效提升卫星通信的系统容量。为保证多波束卫星能够安全、快速的建链通信,本文研究了CNW基多址接入信号设计及物理层安全波束成形技术。CNW基多址接入信号能够实现单个波束内的多址接入通信,该信号采用两段不同调频率的CNW拼接而成,不同调频率的用户也能具有相同的符号长度及带宽,因此系统资源可以得到充分利用;而且,通过对多址接入用户同时分配不同的调频率和伪随机相位能够有效地抑制多址接入干扰,提升用户容量。为实现多波束物理层保密通信,在具备完整窃听信道信息的条件下给出了一种人为噪声辅助的最优波束成形方法,能够在满足物理层保密速率要求的条件下最小化发射功耗,在具有多个窃听接收机的情况下最小化所需的天线馈源数量;在窃听信道信息未知的条件下提出了一种人为噪声辅助的迫零波束成形方法,针对能够准确描述卫星信道特征的?-?阴影衰落信道模型推导了物理层保密中断概率的闭合表达式,并利用保密中断概率设计了一种能够最大化平均保密中断容量的功率优化分配方案。3、随着卫星通信业务类型的不断丰富以及传输速率要求的不断提高,具有高频谱利用率的多载波正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing,OFDM）技术在卫星通信领域获得了广泛关注,为此,本文研究了Chirp基多载波物理层安全信号设计及处理技术,用于实现安全、高速的无线通信。首先研究了分数傅里叶变换（fractional Fourier transform,FrFT）变换阶次的物理层保密共享方法,并针对多径信道下存在多天线窃听用户的情况提出了一种子载波时变扩频OFDM子系统用于阶次传输,受益于信道的互易性和空间不相关性,仅有合法用户能够解扩子载波数据并获得正确的变换阶次,多天线窃听用户即使采用盲检测算法也无法截获变换阶次。随后,基于FrFT信号处理理论提出了一种安全编码多阶次FrFT-OFDM（MFrFT-COFDM）子系统用于数据传输,该系统将子载波数据同时调制到多个FrFT域,接收机在具备完整变换阶次时可获得与传统OFDM系统相同的传输可靠性,而任意解调阶次出错都会导致译码误码率升至0.5,窃听用户必须对所有阶次组合进行穷举试验才能得到保密数据,但穷举搜索所需的运算量对于有限计算能力的窃听用户是不切实际的。与传统物理层安全OFDM系统相比,MFrFT-COFDM系统利用变换阶次增强合法信道与窃听信道间的差异性,降低了对于信道不相关性以及发射天线数量的要求,更适用于视距路径分量较强的卫星通信环境,且数据传输过程中无需添加人为噪声,功率利用率得到有效提升。