随着2019年蓝牙5.1版本的正式发布,寻向功能被添加到标准当中,可帮助设备明确蓝牙信号的方向,有望实现亚米级甚至厘米级位置精度的蓝牙定位系统。本文采用寻向技术中的到达角技术,基于Texas Instruments公司的CC2640R2F芯片及天线阵列进行蓝牙定位系统设计与研究分析。首先,给出基于TOF的距离测量方法,通过过采样方式提高蓝牙TOF距离测量精度。给出基于相位干涉仪原理的AOA角度测量方法,并通过微分方程详细分析了影响AOA精度的几大原因,包括相位测量精度,来波方向以及天线阵列阵元间距与载波波长比值。提出误差分布函数建立方法,针对复杂定位算法,提出相应误差分布图谱绘制方法,可根据误差图谱拟合出误差分布函数关系式。其次,在航姿参考系统数据处理与融合部分,分别建立了四元数及欧拉角表示的旋转矩阵,推导了加速度计、磁力计姿态测量关系式,根据该关系式以及两种旋转矩阵表达式对应关系,给出了四元数初始化公式。设计了基于传统Mahony互补滤波以及二阶自适应EKF的姿态估计算法,通过仿真及实验验证了算法效果并进行了对比。然后,在蓝牙定位算法部分,设计了仅依赖定位信息的加权最小二乘以及EKF位置估计算法。为了尽可能兼顾平滑与滞后问题,建立了基于蓝牙/AHRS的组合导航模型,并进行了相应仿真实验,仿真结果表明,组合导航可有效提升定位精度且降低常规跟踪滤波带来的延迟影响,同时还可额外估计出地磁坐标系与导航坐标系之间的夹角,可省去新系统布置后的坐标系夹角标定工作。最后,搭建了实验平台,开发了一套基于通用协议框架的上位机数据可视化软件。实现了基于两基站AOA三角定位方式的实际定位系统,并以UWB定位数据为参考,计算得到蓝牙定位精度达0.613m,相比传统蓝牙定位精度有着较大的提升。组合导航实验结果表明,蓝牙/AHRS组合导航效果取决于加速度测量精度,而低成本MEMS由于低敏感度以及严重漂移问题,尤其在姿态存在随意性的情况下很难满足需求。