近年来,星地通信作为现代通讯技术的重要组成部分开始逐渐融入人们的日常生活,但其传播环境的开放性、移动性、复杂性使其易受到非法方的攻击。传统加密方案主要集中于计算机网络协议栈的高层,但随着未来通信对计算速率要求的提高,目前的安全机制一定程度上受制于运算复杂度与通信速率间的矛盾。基于此,本文针对星地通信复杂多变的环境研究了轻量级的物理层安全(Physical Layer Security,PLS)加密体系,主要工作包括:论文首先分析了基于无线信道特征的密钥生成机制的基本原理与实施可行性,引入了三种衡量系统性能高低的指标:密钥不一致率、密钥生成速率和密钥随机性。随后从信息论的角度分析了传统时分双工(Time Division Duplexing,TDD)制式下的密钥容量理论公式,并将现有结论推广到频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)制式下,推导出此时容量的理论公式。推导证明,无线传播环境中较强的直射径(Line of Sight,LoS)会导致信道的变化程度减慢,进而一定程度上降低密钥容量。而基于FDD制式的密钥生成相比于TDD制式时,训练序列在转发过程中先后经历了两个频段上相互无关的无线信道,因此包含了更大的信息量。数字仿真进一步验证了系统在FDD制式下、Rayleigh信道中,能取得更大的密钥容量。论文在典型信道环境下,从现有密钥生成机制的常见环节入手,依次选取信道探测、量化、密钥协商和保密增强四个环节中具有代表性的实施方案进行分析比较,并针对系统所处的非理想信道环境提出了基于改进小波变换的去噪方案和基于有效路径的噪声抑制方案,以对抗系统初始密钥不一致率较高的缺陷。随后分别从复杂度、交互次数和有效性三个角度对各实施方案进行性能仿真评估,分析不同实施方案各自的特点与适用场景。分析表明,等概量化得到的密钥序列随机性强,且整个过程不需要信令传输,更为实用;纠错码协商利用码字自身的纠错能力进行检错,交互次数少,便于工程实施。论文结合星地无线信道的特点,设计了基于星地信道特性的密钥生成系统总体方案。论文首先对星地信道进行了建模,研究表明,星地信道由于LoS的存在相对常规地面无线信道而言变化较慢。论文在此基础上结合前文的研究结论选取了基于FDD制式的信道探测、等概量化和纠错协商的算法,结合所提出的新型预处理算法,联合形成总体密钥生成方案。最后通过数字仿真分析对所提出的总体方案进行评估,验证了该物理层安全加密机制的传输机理和性能。论文最后总结了全文的研究结果,并明确了后续研究方向。