近年来一系列矿难事故的发生,令矿井等特殊环境下人员的定位与搜救受到广泛关注。无线传感器网络的出现为井下通信提供了一种动态快速的组网方式。超宽带无线电技术(Ultra Wide Band,UWB)具有低功耗,高速率,抗多径和干扰,测距和定位能力强等特点,适合井下复杂多变的通信环境。因此,超宽带传感器网络为井下通信和定位提供了可行的方案。本文主要研究特殊环境下超宽带传感器网络测距与定位算法。首先,介绍了UWB无线电技术的概念、特点和研究现状。分析比较了UWB脉冲的产生方式、信号的调制方式、信道模型、现有测距和定位算法以及信道接入方式,选择了适当的UWB通信方式和井下定位策略。跳时超宽带(Time Hopping UWB,TH-UWB)是一种无载波UWB系统,性价比高,其随机跳时码(Time Hopping Code,TH)可以在井下环境中解决多用户干扰的问题。本文将TH-UWB技术用于井下通信,根据信号在井下的传播特点,参考IEEE 802.15.4a信道模型,对其中的室内信道的建模方式进行了改进,考虑了井下不同区域和位置对数正态阴影的影响,提出一种类室内环境的井下UWB对数距离路径损耗模型。在此模型基础上,提出基于最大似然估计的接收信号强度(Received Signal Strength Indication,RSSI)测距方法,提高了井下RSSI测距的稳定性。推导了RSSI测距的Cramer-Rao下界,用于评估RSSI测距算法的性能。通过理论分析和实验验证,井下RSSI测距算法在测距精度和稳定性上得到了很大提高。在井下信道模型和测距算法研究基础之上,推导了测距和定位之间的关系,提出井下超宽带传感器网络的定位算法。通过在定位过程中引入稳定的井下RSSI测距方法,改进最小均方误差定位算法,降低了定位对信标节点的依赖,保证了定位的精确性。同时充分利用TH-UWB中TH码的多址特点,采用跳时-码分多址(Time Hopping-Code Division Multiple Access,TH-CDMA)的介质访问和多用户接入方式,降低了多用户信道接入的干扰,增加了测距信息的吞吐量,进一步提高了定位算法的精度。仿真结果表明,井下定位算法能显著提高定位精度,充分满足矿井等特殊环境下人员定位服务的需要。