本文研究以电磁方式确定钻头在地下的三维位置和姿态角。利用安装在钻头内部的三轴加速度计和三轴磁强计,通过坐标变换测量出钻头的倾角、方位角以及工具面向角;通过分析磁偶极子源的电磁模型,设计合适的螺线管线圈来进行磁场的发射和接收;在研究通电螺线管线圈磁场的空间分布基础上,分析了基于单线圈的地面定位方法,其在某一点的测量并不能直接确定发射源的位置,而是要根据前后接收信号的相对幅度来判断特征峰值,来搜索发射源的位置;由于单线圈定位方法非常麻烦和费时,于是提出了基于双线圈的地面定位方法,在地面布置两个互相垂直的线圈,通过比较两路信号幅度之差的正负关系而不是接收幅度大小来进行定位;水平定向钻进中钻头的定位只是在水平面内的二维平面实现了位置的确定,为了确定其在空间的位置,还需要确定钻头的深度,本文分析了标定法、双线圈测定法和前后向定位点法等几种深度测量方法,从而确定了钻头在地下空间的三维位置;分别从理论上得出单、双线圈测量误差模型,对这两种定位方法做了精度分析。通过确定钻头在地下的姿态角和三维位置,可望实现对地下钻头钻进方向的即时控制。