5G移动通信关键技术的蓬勃发展带起了低轨卫星的新一轮热潮,将低轨卫星作为补充集成到地面移动通信的生态系统中已成为新一代低轨卫星通信发展的新趋势。但是由于低轨卫星通信和地面移动通信之间存在着诸多客观差异,当前还需要通过多方面的调整和改进来适应星地通信差异以寻求融合,其中之一是参考5G NR标准设计低轨卫星空口协议,使低轨卫星通信技术能最大限度的兼容5G移动通信技术。时频同步是终端接入低轨卫星网络的第一步,同时也是支撑后续能够持续通信的关键性技术,由于低轨卫星场景中存在较大的、时变性的频偏,地面现有的5G同步方案无法满足高动态星地场景的同步需求。本文以星地融合通信为研究背景,重点研究了新一代低轨卫星移动通信系统中物理层时频同步技术,并在研究中将时频同步分为初始同步阶段和同步跟踪阶段,主要研究内容与贡献如下:在初始同步阶段,首先基于5G NR体制设计了低轨卫星初始同步流程,通过频偏鲁棒性的算法获取定时同步和载波频率同步。然后重点针对无法从载波频偏估计结果中区分多普勒频偏和晶振频偏的问题,分析了其对频率同步的影响,研究了终端晶振频偏估计算法,在初始接入阶段从载波频偏中分离多普勒频偏和晶振频偏,并且完善了星地链路频偏补偿流程。最后搭建链路级仿真平台,通过对初始同步过程进行仿真,验证了初始同步算法的可靠性,在低信噪比下也能够获得高的小区ID检测正确率;通过对晶振频偏估计性能进行仿真,验证了本文所提晶振频偏估计算法相较于传统算法在估计精度和频率稳定度方面的极大优越性。在同步跟踪阶段,首先基于跟踪参考信号（Tracking Reference S-ignal,TRS）在同一 OFDM符号上间隔4个子载波的特点设计了定时同步跟踪算法。接着引入了多普勒频偏变化率来跟踪时变性频偏,基于TRS先后提出三种算法用于估计归一化多普勒频偏变化率,包括:TRS-Corr算法、LS算法和WEIGHTED-LS算法。最后搭建链路级仿真平台,与现有算法对比,验证了所提三种算法在频偏变化率估计精度、频偏跟踪性能等方面相较于现有算法表现出极大的优越性,并且,分析了所提三种算法之间在性能和复杂度上的差异,为工程实现提供参考。