物联网作为一种连接人与物、物与物的网络基础设施,支撑着交通、制造、能源、城建等多种领域的应用,正服务于社会生活的各个方面。网络中节点的位置信息在物联网应用中具有十分重要的意义,它既可在各类应用中直接提供以对象空间坐标、轨迹等信息为基础的位置服务,也可进一步支撑节点之间的通信、计算、能量和任务的协同管理与优化,是物联网节点中最为关键的状态之一。一直以来,物联网设备的定位研究受到了学术界和工业界的高度重视。然而,由于物联网泛在连接的特性,节点广泛分布于室内外各种环境。许多应用中节点在能量、带宽、算力等方面受到限制,给物联网节点的定位研究带来了巨大的挑战。现有研究工作针对特定场景中节点小范围的定位精度取得了不错的效果。然而,提高其网络覆盖需要部署大量基站导致较高的系统成本和功耗。如何在广域范围中实现低功耗、低成本,避免网络基站部署（无基站）的定位研究仍处于空白阶段。本文在分析设计无线定位模型和硬件平台的基础上,针对低功耗的广域物联网室内外融合定位这一问题,研究了基于LoRa的室内外融合定位技术,并进一步设计了基于移动机器人的节点定位与跟踪系统应用,主要工作及贡献如下:1.面向室外广域场景,提出了一种基于最优位置估计的虚拟LoRa基站信号飞行时间定位方法,实现了不依赖于基站网络设施的高精度广域节点定位。通过移动的方式对单个锚点时空复用形成大规模虚拟定位基站,并基于克拉美罗界最优位置估计优化移动路径,启发式分步优化观测点位置分布,提升节点定位精度并降低系统电源消耗。设计了便携式的移动网关,卡片式的定位标签与可部署在商用手机中定位应用。在多种环境中验证了系统的性能,在1万平方米范围开放区域的20次实验中,该系统的平均定位误差为1.19米,同时仅需要1.06毫安时的电池消耗。2.面向复杂的室内场景,创新性地提出了一种基于虚拟天线阵列的LoRa信号到达角度估计和定位方法,实现了基于通用LoRa设备的目标角度估计和单基站室内定位系统。针对低成本低功耗LoRa节点中射频通道硬件资源的限制,设计了低成本的射频通道复用方法和虚拟天线阵列结构。通过优化物理层协议,设计流水线式通道切换方法,缩短差值信号的间隔时间并有效降低环境噪声干扰。进一步结合网关的空间姿态模拟大规模虚拟圆形天线阵列提高角度估计精度。设计了旋转网关和节点原型,并基于系统原型进行了实验和仿真分析。结果表明,系统在室内50米距离的信号到达角度估计平均误差为5.55度,实现了复杂室内环境中的单基站节点定位。3.针对室内外多种场景中节点的广域定位与跟踪,设计了基于方差准则的室内外融合定位与时频分析轨迹跟踪方法,实现了复杂场景中基于移动机器人的广域节点定位与跟踪系统应用。通过距离位置估计方差与角度位置估计方差动态更新节点位置权重,自适应调整室内外定位模型参数,克服复杂环境中信号衰减与反射对节点位置估计的干扰。基于小波变换分析动态目标时频特征,并通过多普勒频移模型估计目标相对位置和速度,结合商用机器人感知的环境特征实现对运动目标的轨迹估计,并引导机器人保持对目标的跟随。在多种环境中进行了系统仿真和实验,结果表明系统融合定位平均误差为0.92米,在600平方米室内走廊和3500平方米室外广场轨迹估计中,平均误差分别为0.60米和0.33米,其对应标准差分别为0.49米和0.22米,并可同时对多个目标进行轨迹跟踪。