随着信息时代的进步和物联网技术的发展,人们对于室内环境下获取位置信息的需求日益增加。由于目前室内定位技术种类较多,而且定位精度和适用场景有所不同,所以至今没有通用的高精度室内定位技术方案。对于一些常见的应用场景,比如大型仓库中需要对员工或机器人进行三维定位、地下停车场获取车辆位置信息、大型机场或医院内获取个人位置信息等,性能优越的定位技术不仅能够为人们提供便利,而且可以使工作或生产效率显著提高,具有较高的应用价值和商业价值。本文以超声波定位技术为研究基础,以提高当前该技术定位精度为目的展开研究。选定超声波对射测距和主动式定位方案,对室内视距环境下的目标进行定位,主要工作和创新点有以下几个方面。首先,提出了基于超声波传感器模型的信号渡越时间计算方法,用于解决目标点与基站距离计算精度问题。以超声波传感器等效电路为基础,通过建立接收端处信号的传递函数模型,使超声波渡越时间计算使用的原始信号状态更符合实际情况,并且为此设计了数字锁相放大器和渡越时间计算及校正方法。通过仿真实验验证,该算法在无噪声环境下渡越时间计算误差为3.10×10-6s。然后,提出了改进的TOA（Time Of Arrival）优化算法,用于解决测距信息已知下的目标位置解算问题。该算法在TOA算法的基础上,详细推导了在已知距离和初始估计位置下进一步优化定位结果的解析形式,不仅具有迭代收敛性,同时具有解析算法计算量小的优点。通过仿真实验验证,该算法不仅在TOA算法的基础上使定位精度大幅度提升,而且与基于到达时间差的Chan算法、Fang算法相比性能更佳、使用基站数量更少、受目标位置影响更小。在标准差为1cm的测距误差下,该算法对于空间独立固定位置定位精度为1.66cm,对给定参考轨迹定位精度为1.93cm。最后,搭建了超声波室内三维定位综合仿真实验模型,用于验证整个超声波定位算法的可行性与精度。根据实际应用场景的局限,给定了封闭式与开放式两种基站布置方案。实验在温度和噪声确定的环境中,将超声波衰减特性考虑在内,生成每个基站接收到的超声波原始信号。进一步,使用基于超声波传感器模型的信号渡越时间算法,并结合超声波速度得到目标轨迹当前位置与每个基站之间的距离。在此基础上,使用改进的TOA优化算法与Chan算法、Fang算法、TOA算法进行位置解算并比较定位结果。实验结果显示,相比其他三种算法,改进的TOA优化算法定位精度更高,且受基站布置方案和空间位置影响较小,封闭式基站布置方案下精度为1.44cm,开放式基站布置方案下精度为1.98cm。