卫星通信系统在提供全球无缝覆盖方面具有不可替代的优势,已被视作未来通信网络的重要组成部分。近年来,学术界和产业界都大力推进陆地和卫星通信系统的有机融合,以期建成一个基于5G生态系统的全球网络架构。然而,两者在信道特性、系统架构等方面存在较大差异,使得融合系统构建面临着巨大的困难和挑战,尤其是一些空口关键技术问题仍有待解决,例如随机接入技术。考虑到卫星信道区别于陆地系统的大频偏、大时延、大损耗等特性,本文在融合网络的研究背景之下,针对不同的空口波形,重点对适用于5G卫星移动通信系统的随机接入前导及其检测算法的设计展开研究,主要内容和贡献如下:第一,在现有5G NR（New Radio）系统常用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）波形的基础之上,本文采用频域序列重复方案来确保卫星的波束覆盖性能。针对频域序列重复方案的立方度量（Cubic Metric,CM）较高这一瓶颈问题,首先提出一种基于相位偏移的前导序列以降低重复方案的CM,并利用遗传算法搜索CM性能最优时的相位偏移集。在此基础上,进一步提出一种基于降维离散傅里叶逆变换（Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT）的前导序列,可通过缩小IDFT的尺度来降低CM,并且具有较低的检测复杂度。此外,对于所提前导分别设计了相应的检测算法,在前导检测过程中即可实现联合的定时、频偏估计。结果表明,随着重复次数的增加,所提两种方案比现有方案的CM性能更优,同时具有可显著改善的检测和估计性能。第二,为了克服OFDM波形所固有的带外辐射高、对同步误差敏感等不足,本文采用其衍生波形广义频分复用（Generalized Frequency Division Multiplexing,GFDM）作为未来融合网络的空口波形。在此基础上,首先研究了两种经典的前导检测算法在GFDM系统中的适用性,揭示了经典算法在大频偏或低信噪比环境下的性能缺陷。进一步地,利用双ZC序列以及本地和接收端生成的所有相关积,提出一种基于长度可控双ZC差分相关的前导检测算法,不但能够消除频偏的影响,而且可以通过灵活调整相关长度来提升低信噪比下的检测性能。结果表明,所提算法对大频偏具有鲁棒性,并且随着相关长度的增加,其检测性能会获得明显提升。