基于多频时分多址(MF-TDMA,Multi-Frequency Time Division Multiple Access)的低轨卫星通信系统具有组网灵活和可对信道资源进行动态分配等优点,是目前卫星通信的研究热点。低轨卫星面临着低信噪比、大多普勒频偏的通信环境,因此同步技术是低轨卫星通信系统的一个关键问题,同步性能的好坏直接影响接收机性能。本文主要针对基于MF-TDMA的低轨卫星通信系统中的同步技术进行深入研究。首先,本文对接收信号进行建模,推导出树形结构滤波器组分路法和多相阵列FFT分路法两种解复用方法的信噪比。在此基础上,进一步推导出窄带高斯白噪声、载波频偏和相位噪声对误比特率的影响。仿真结果验证了本文推导结果的准确性,为下文同步技术进行了铺垫。其次,研究了两种不同的分帧捕获算法。本文提出了一种既可用于峰值平台捕获又可用于相关峰捕获的前导序列格式,然后提出两种捕获算法的具体流程示意图。通过仿真发现,在低信噪比条件下利用本文提出的捕获流程,相关峰捕获性能要比利用峰值平台捕获性能大约好1dB。然后,针对现有采样钟相偏估计算法复杂度高,本文提出了一种适合硬件实现的低复杂度采样钟相偏估计算法。该算法是在绝对值变换基础上改进,计算复杂度由O(LM)降为O(L+M),且性能损失较小。在此基础上,针对接收机需要对短帧进行快速捕获和数据准确恢复等问题,本文提出了一种结合数据帧头识别的连续定时恢复整体技术方案。该方案不仅可以降低硬件实现复杂度,而且可以对短突发数据进行连续估计并快速恢复最佳采样判决。最后,针对现有载波同步技术在低信噪比条件下,无法兼顾频偏估计范围和精度的问题,本文首先提出了一种双对称导频图案。利用该双对称导频图案,本文提出了一种联合频域粗估计和时域细估计的两级载波同步方案。通过调整双对称导频相关参数,该方案可灵活调整频偏粗估计和细估计的范围和精度,进而保证该方案可兼顾大频偏估计范围和高估计精度。值得一提的是,该方案的归一化频偏估计方差在信噪比为-7dB时仍接近频偏估计的克拉美罗下界,非常适用于本文研究的具有低信噪比、大多普勒频偏特点的低轨卫星通信系统。