随着信息技术的全面发展,新一代地面移动通信技术5G已经趋于成熟。低轨卫星移动通信系统有着覆盖范围广、系统容量大、可靠性高等优势,可以有效弥补地面移动通信系统的不足,因此将5G技术和低轨卫星相融合来构建新一代低轨卫星移动通信系统势在必行。然而,由于卫星通信系统具有大时延、大频偏的独特信道特性,5G随机接入技术并不能直接适用于低轨卫星移动通信系统。本文以5G技术和低轨卫星移动通信系统相融合为背景,基于现有的5G随机接入前导序列信号格式,深入研究了低轨卫星移动通信系统的随机接入关键技术问题。首先,本文阐述了卫星移动通信系统的信道特性和现有5G技术标准,重点对随机接入技术进行了介绍,包括随机接入流程、前导序列结构以及定时检测方法。其次,考虑到卫星移动通信系统具有较大的传输时延,随机接入前导序列需要重新设计。本文结合低轨卫星信道特性和陆地前导设计原则,研究了适用于卫星场景的通用前导。针对卫星通用前导设计方案存在子载波间隔小、DFT尺度大以及计算复杂度高的缺点,提出了MRCS前导设计方案。MRCS是由多段不同根序列的短ZC序列级联形成,每一段短ZC序列继承了陆地前导格式,子载波间隔依然是1.25k Hz,在满足较大传输时延要求的前提下,对多普勒频移有更高的鲁棒性。仿真结果表明,相比于通用前导,在LOS信道下MRCS的抗频偏性能提升了55%,更适用于具有较大多普勒频偏的低轨卫星移动通信系统。然后,为了消除卫星通信系统中较大多普勒频偏对随机接入的影响,本文首先提出了基于MRCS的TDCC算法,TDCC算法可以消除多普勒频移对定时估计的影响,但是存在抗噪性能较差和计算复杂度较高的缺点。因此,本文进一步提出了基于MRCS的FLDCC算法。FLDCC算法大大降低了计算复杂度和提高了抗噪性能,并且可以通过调整差分相关长度有效地提高定时检测性能。仿真结果表明,FLDCC算法不但适用于LOS信道,而且在NLOS信道下也具有较好的定时检测性能。最后,基于上述MRCS前导设计方案及FLDCC定时检测算法,本文在srs LTE/USRP半实物平台上,对低轨卫星移动通信系统的随机接入进行了设计实现以及测试。实测结果表明,本文所提出的MRCS前导设计方案和FLDCC定时检测算法在较大多普勒频移的影响下具有较高的TA估计准确性和较低的平均接入时延,能够有效应用于低轨卫星移动通信系统。