低轨道卫星通信系统由于具有通信范围广、通信延迟低、不受地形限制、不受环境因素限制等特点,近年来受到民用通信、军用通信领域的广泛关注。低轨道卫星通信过程受通信双方高动态径向运动而产生的多普勒效应影响严重。接收信号中存在着较大的频率偏移和多普勒频偏变化率,从而导致信号变形失真。这种情况接收机无法完成精准的载波同步,从而无法维持通信。因此,如何解决高动态环境下的载波同步问题成为了当前低轨道卫星通信研究中的重点之一,具有较为重要的研究意义。本文主要从载波同步过程中的载波频率捕获和载波跟踪两个方面分别进行了研究和探索,旨在追求“快速捕获、精确跟踪”的接收机载波同步算法,具体研究内容如下:首先对低轨道卫星工作的动态环境和低轨卫星接收信号模型进行分析,并对一些适用高动态下的载波频率捕获的频率估计方法进行研究,包括基于瞬时自相关、一阶调频率逼近法、周期图法等。与此同时,为了解决传统载波跟踪环路在高动态环境下无法同时满足精度与动态范围的问题,本文引入基于卡尔曼滤波结构的载波同步环路结构并对其特点进行了分析。其次,本文对基于分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,Fr FT)的载波频率捕获技术进行研究,并通过仿真验证其在低信噪比高动态环境下具有较好的性能。为了解决Fr FT算法无法同时满足高精度和低复杂度不能兼顾的问题,本文着重对基于二次估计的Fr FT估计算法以及基于插值的Fr FT算法进行研究,并提出一种基于一阶调频率逼近法的改进算法。通过仿真验证,改进算法能在保证精度的同时,算法复杂度变为原来的15%。最后,本文对高动态环境下的卫星载波跟踪环路进行研究,利用不同仿真环境参数对基于粒子滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波的载波跟踪环路的性能进行仿真分析。重点引入一种基于粒子滤波方法改进的无迹粒子滤波(Unscented Particle Filter,UPF)方法,并于原有算法进行仿真比较,证明其在低信噪比、高动态环境下具有更好的稳定性和精确性。为了解决针对UPF方法计算量大的问题,本文利用无迹卡尔曼滤波方法进行改进,提出一种基于UKUPF算法的改进载波跟踪环路。该方法能够在保证性能的同时,降低运行过程中的平均计算复杂度,具有一定的实践意义。