低轨卫星移动通信和地面第五代(5G,5th Generation)移动通信系统相融合,可以充分发挥两者的优点,构成全球无缝覆盖和无缝切换的通信网络,从而满足全域覆盖的通信服务要求。其中,5G空口技术和低轨卫星移动通信系统的深度融合,不仅能够将地面前沿的通信技术应用到空地通信中以提升性能,而且兼容空口设计可以使卫星通信享受地面的规模化产业链,从而大幅度降低多模卫星终端的设计和制造成本。然而,星地链路与地面通信环境的显著差异给空口技术的融合带来了诸多挑战。本文针对低轨卫星移动通信系统星地链路中存在的大多普勒频偏问题,以及同时存在的终端与卫星侧晶振误差引起的载波频偏问题,对5G空口信号在星地链路中的适用性展开研究。在对低轨卫星空地信道模型和多普勒频移特性的研究基础上,重点探索大多普勒频移场景下的时频同步技术,解决大频偏环境下的时频同步问题。首先,本文对低轨卫星移动通信系统信道模型及星地链路的多普勒频移特性展开研究。在回顾几种经典卫星信道模型的基础上,基于3GPP面向非地面网络天地融合信道模型,分析星地链路视距(LOS,Line of Sight)概率、传播路径损耗以等一系列信道特性。围绕多普勒频移特性分析问题,在回顾基于星历表的传统多普勒频移计算方法后给出基于几何运算的快速计算方法,避免了传统方法存在的大量矩阵运算,具有较低的运算复杂度。关于低轨卫星信道的多普勒频移特性分析表明,即使在典型的低频场景下,星地链路中的多普勒频偏也可达到5G新型无线空口(NR,New Radio)规定的子载波间隔的数倍。因此在存在大多普勒频偏的星地链路中,现有时频同步方法难以适应于5G NR同步序列获得精确的时频同步,需要探索支持大多普勒频偏的时频同步方法,这是5G NR与卫星通信融合的关键问题之一。其次,本文研究低轨卫星移动通信系统下行时频同步问题。在使用5G NR下行主同步信号(PSS,Primary Synchronization Signals)的同步信号模型基础上,提出PSS时频估计算法和循环前缀(CP,Cyclic Prefix)辅助的时频估计算法。PSS时频估计算法将传统的时频二维优化问题转化为两个一维搜索问题,基于卫星移动通信过程中多普勒频移的有限幅值特性,给出目标函数的近似表达式,将优化问题转化为近似目标函数最大化问题,并使用调制离散长椭球序列(DPSS,Discrete Prolate Spheroidal Sequences)对涉及的高维矩阵进行特征分解,以降低估计算法复杂度。CP辅助的时频估计算法在PSS时频估计算法基础上,利用多个正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)符号的循环前缀作为辅助信息以提升同步性能,且针对PSS频偏估计算法复杂度较高问题,通过先使用CP估计小数倍频偏,再使用PSS估计完整的载波频偏,从而有效地降低估计复杂度。进一步地,综合考虑上述两种算法的同步性能及复杂度后提出DPSS辅助算法,该算法利用PSS时偏估计算法进行时间同步,利用CP辅助的频偏估计算法进行频率同步。结合跟踪同步阶段相邻无线帧之间频偏、时延变化较小的特点,通过简化DPSS辅助算法得到一种跟踪同步算法,该算法利用PSS进行定时跟踪、利用CP进行频率跟踪。仿真结果表明,所提出的初始同步算法,利用5G NR下行同步信号和OFDM符号循环前缀可在大多普勒频偏环境下实现准确的时频估计;所提出的跟踪同步算法可在低轨卫星过顶过程中准确维持同步状态。最后,本文研究考虑晶振误差的低轨卫星移动通信系统时频同步问题。在对5G NR随机接入过程研究的基础上,结合随机接入过程的闭环机制提出考虑晶振误差的闭环时频同步方法。所提同步方法经过终端侧与卫星侧之间的下行时频同步、上行随机接入过程后,可以准确地估计出多普勒频偏及晶振误差引起的频偏,并进行相应的频偏补偿。为实现闭环时频同步方法涉及的上行同步,以DPSS辅助算法为基础,提出以5G NR随机接入信号为同步序列的时频估计算法。仿真结果表明,所提出的上行同步算法可以在大频偏下实现准确的时频估计。结合有关所提出的下行同步算法的仿真结论,可认为本文提出的闭环时频同步方法,能够在既存在晶振误差引起的载波频偏,也存在大多普勒频偏的低轨卫星移动通信系统中实现准确的时频估计和正确的频偏补偿。