近年来随着非开挖技术的发展,地下水平定向钻进技术得到越来越广泛的应用。为了实现水平定向钻进中的轨迹监控和精确导向,必须实时获取地下钻头的姿态参数和钻头的空间位置,因而随钻测量和定位技术作为关键测量问题正受到广泛关注和大力研究。作为国家863高科技计划项目“智能水平定向钻进铺管设备”(2003AA430120)和湖南省自然科学基金项目“非开挖水平定向钻进定位和导向新方法的研究”(03JJY3083)的重要研究内容,本论文围绕水平定向钻进中的随钻测量方法和定位技术进行系统深入的研究,并组建具有自主知识产权的导向定位系统。主要工作包括以下几个方面:1.对基于加速度计和磁强计组合进行磁场测量的随钻测量方法进行了研究。针对这种测量中存在的铁磁性钻具的磁性干扰问题,首次提出了利用现有的地磁场数据进行方位角校正的方法。校正后的结果可以不受干扰的影响,大大降低了对钻具的要求,拓宽了随钻测量的应用范围。在此基础上,利用最新的MEMS加速度计和MEMS磁强计构建小巧的随钻测量系统,以满足水平定向钻进要求。2.将基于加速度计和陀螺仪的捷联惯性导航技术应用于水平定向钻进随钻测量,提出基于惯性器件组合的随钻测量方法。在传统的三轴加速度计和三轴陀螺仪姿态测量方法基础上,结合水平定向钻进随钻测量的特点,提出通过减少陀螺仪的配置用单轴或双轴陀螺仪来实现位置、速度和姿态的测量,得出测量模型,进行了误差分析。3.从工程实践的角度出发,介绍了随钻测量过程中倾角和面向角测量的其它方法以及相应的传感器设计。首次提出两种独特的面向角测量方法,光电滚珠式面向角测量和光电编码器式面向角测量,并进行了相应的传感器设计,其结构简单,体积小巧,全固态,可靠性高,能够较好地满足随钻测量的要求。4.在钻头定位及数据传输上,提出基于磁偶极子源的电磁信号传输方法。将通以甚低频电流的螺线管线圈等效为地下磁偶极子发射源,根据其产生的准静态场的规律分布,利用地面接收线圈进行磁场接收的方法实现钻头的无线定位和测量结果的无线传输,实现实时测量。5.首次系统地对基于磁偶极子源的地面定位定深方法进行了研究。在对地下发射线圈磁场充分分析的基础上,提出基于单线圈和45°双线圈的定位方法,对多种定位方式和过程进行了说明。在定位的基础上,提出标定法、双线圈测定法和前后向定位点法等几种深度测量方法。最后对各种定位和测深方法的精度作了分析。6.率先研制了具有自主知识产权的导向定位设备。它包括随钻测量探头,地面定位接收仪,以及基于嵌入式系统的轨迹监控规划软件。此设备能够很好地实现水平定向钻进的定位和导向,不仅填补了国内空白,性能上也接近国外先进水平。