空天地一体化网络通过实现泛在网络覆盖与资源灵活管理可以提升网络容量,强化网络性能,提供无缝连接的网络服务,在物联网、云计算、车联网等工业领域具有极大的应用前景。随着低轨卫星星座系统与第五代（The fifth generation,5G）网络新基建的加速建设,空天地一体化网络为满足不断升级的陆、海、空、天多个维度的服务需求,实现跨域、跨网络的协同工作,要求卫星网络与空间飞行器以及地面网络等进行有机整合,以提升网络资源利用率与无线接入传输能力。由于其网络结构的开放链接与动态拓扑等特点,空天地一体化网络在接入认证、安全路由,以及安全传输等方面面临严峻的安全挑战。针对安全传输问题,相比上层加密算法依赖于计算复杂度与密钥管理,物理层安全具有轻量级与免密钥等特点,是一种基于无线信道随机差异性的信息理论安全方法,常常采用安全容量/安全速率作为安全性能评价指标。由于无线信号的广播特性与无线信道的开放性,星地通信系统比较容易受到窃听威胁,尤其是星地下行通信覆盖范围大,传输信号更容易被窃听。特别地,由于不同的星地链路之间的距离差常常可以忽略不计,星地信道表现为相似性,微弱的信道随机差异性对实现星地物理层安全通信提出了巨大挑战。此外,考虑到星上资源受限（如功率与星上数据处理能力）,以及卫星点波束难以区分邻近用户,传统物理层安全方法难以有效适用于星地通信系统,亟需开展星地通信系统物理层安全通信理论与方法研究。为实现星地下行通信安全传输,考虑星地信道相似性,本文开展了星地通信系统物理层安全理论与方法的研究,主要研究内容如下:1.针对星地多载波通信系统安全传输的问题,本文利用安全编码的思想提出了一种基于安全截短正交频分复用（Secure truncating orthogonal frequency division multiplexing,STOFDM）的安全波形设计方法。STOFDM利用自引子载波间干扰（Inter-carrier interference,ICI）以恶化窃听者,进一步利用安全截短信息提出了一种准正交补偿方法以消除ICI对合法用户的影响,从而提升STOFDM安全速率性能。此外,推导了STOFDM安全速率闭合表达式,并通过数值分析结果验证了其正确性。2.针对星地下行链路多用户安全传输的问题,本文提出了一种基于频域非正交多路复用（Frequency-domain non-orthogonal multiplexing,FD-NOM）的多用户安全通信方法,其中FD-NOM通过自引用户间干扰恶化窃听者的接收信干噪比（Signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR）。进一步提出了一种FD-NOM多用户协作方案以提高合法用户的接收SINR,从而提升其安全速率性能。此外,分析给出了频域非正交多路复用系统的安全速率理论下界,并通过仿真验证了该理论下界的松紧度。3.针对中继协作多波束星地下行安全传输的问题,本文首先建立了中继协作星地下行安全通信模型,其中利用多波束之间频率复用导致的同频干扰恶化窃听者,同时利用中继协作增强星地链路主信道信号质量的同时制造人工噪声进一步恶化窃听者。最后提出了联合卫星波束赋形与中继功率分配优化方法以提升星地通信链路安全速率性能,并通过仿真验证了所提方法的有效性。