第五代移动通信系统的迅速发展为构建天空、海洋、陆地一体的战略网络蓝图带来了契机与动力,将具备高速率、低延时、大容量等特点的5G技术与卫星移动通信的融合已成为大势所趋。`星座组网中低轨卫星星座以其通信距离短,波束范围广等优势在未来天地一体化通信系统组网蓝图当中占据着至关重要的地位。在5G NR（New Radio）的相关技术中,随机接入技术是实现用户上行初始同步,有效建立星地数据传输链路的关键前提。考虑到卫星通信传输距离远,覆盖范围广,大时延、大衰减、载荷受限等特性,因此需要对卫星随机接入技术中存在的问题作进一步研究。本文以低轨移动卫星通信系统作为研究背景,针对不同通信场景,从前导序列设计,随机接入序列检测算法两方面对随机接入技术展开研究。具体工作如下:第一,本文针对陆地前导序列所存在的不足,结合卫星通信特性,在用户位置未知通信场景下,首先设计了一种能够对载波频率偏移（Carrier Frequency Offset,CFO）部分鲁棒的多根级联长前导序列MR-CLS。根据波束内用户到达不确定性以及子载波间隔的要求,利用多个较大子载波间隔的短ZC序列级联的方式构建了长前导序列以满足远距离传输的同时,保留了对CFO的抗性。其次对于主径较强的卫星信道,利用设计的MR-CLS序列,提出了一种能完全鲁棒于CFO,并且可灵活调整相关序列长度来抑制噪声的低复杂度检测算法。结果表明,该算法与现有算法相比能实现更好的定时估计性能,有效完成一步TA（Timing Advance）估计。第二,本文在用户位置已知通信场景下,首先根据已知位置信息以及卫星星历等参数对最大往返时延以及多普勒频移的预补偿进行了分析,对前导序列格式进行了重新选取。其次针对多径效应存在,主径非最强径的场景,从数据特征角度出发并结合人工智能算法,提出了一种独立于门限设计的联合聚类检测算法,该算法首先利用K-means算法进行初始聚类,然后利用EM算法来完成二次聚类,最终可以精确的实现首径的追踪定位。结果表明,针对多径存在的情况,该算法与传统基于门限设计的检测算法相比在低信噪比下能实现更好的首径检测性能,有效地完成定时估计。上述研究工作针对不同通信场景需求,从前导序列设计以及序列检测算法两方面对5G卫星随机接入技术进行了创新实现,为未来全球物联网以及天地一体化网络构建提供了一定的理论和技术支持。