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本文围绕卫星通信系统的星地链路通信安全问题展开,以提高卫星通信的保密性为最终目标。合法用户与窃听用户距离较近时,合法信道与窃听信道近似相等,因而传统的地面无线通信物理层安全技术不适用于卫星安全通信。针对这一问题,提出了卫星通信系统物理层安全通信模型。在此模型的基础上,重点研究了中继选择和功率分配技术,以达到增强卫星通信保密性能的目的。首先,本文提出了协作-直连混合星地物理层安全通信模型。根据合法用户与窃听用户间距离的远近决定传输模式。当距离较近时,添加同时同频协作干扰中继,对窃听者进行干扰,降低窃听者的接收信号质量,从而获得保密容量。同时,通过理论推导,验证了该模型实现卫星通信安全的可行性。其次,本文在星地安全通信模型的基础上,研究了增强系统保密中断概率性能的中继选择优化。在瞬时信道状态信息(Channel State Information,CSI)已知的情况下,理论推导了使保密中断概率最小的最优中继选择准则。然而,由于瞬时CSI是不断变化的,因此卫星通信系统需要不停地进行中继选择,增大了信令开销。除此之外,系统可能存在不能获取瞬时CSI的情况。所以,研究了已知统计CSI条件下的中继选择。理论推导了使保密中断概率最小时的近似最优的中继选择准则。仿真结果揭示出已知瞬时CSI条件下的中继选择的保密中断概率性能优于已知统计CSI条件下的中继选择。综合考虑系统的环境条件和两种中继选择方案的性能,给出了自适应的中继选择方案。最后,本文在星地通信模型的基础上,研究了总的发射功率约束一定时卫星与中继间发射功率的分配,以增强系统的保密中断概率性能。推导出了系统保密中断概率最小时,功率分配因子基于瞬时CSI的最优表达式。由于瞬时CSI的不停变化导致功率分配因子的不停更新,增大了系统的开销,同时系统可能存在无法获取瞬时CSI的情况。因此,为了解决这一问题,研究了基于统计CSI的功率分配。推导了系统保密中断概率的非闭合表达式,进一步地推导了系统保密中断概率的近似闭合式,通过遍历功率分配因子的方式,求解了使保密中断概率闭合式的值最小时的基于统计CSI的功率分配因子。仿真验证了基于统计CSI的功率分配的复杂度可实现性以及基于瞬时CSI的功率分配保密中断概率性能优于基于统计CSI的功率分配,二者均增强了系统的保密性能。综合考虑系统的环境条件和两种功率分配方案的性能,给出了自适应的中继选择方案。