随着城市化进程的加快,水平定向钻进铺管技术越来越多地被关注与应用。在水平定向钻进施工中,导向仪的导向监测与管线探测是调整钻具前进轨迹的关键,掌握钻具在地下行进状态,便于施工人员及时调整钻头前进方向,使导向孔按照预定轨迹钻进。为获取定向钻进中钻具状态信息,进而提升水平定向施工质量,本文将围绕钻具姿态测量方法进行深入研究。首先,简要介绍了水平定向钻进技术的国内外发展及应用优势,研究钻具姿态角测量理论与方法;然后,设计了钻具姿态信息测量系统,并进一步分析系统误差来源,使用标定方法补偿确定性误差,为补偿随机噪声,使用多传感融合算法,对一般无迹卡尔曼滤波（UKF）算法进行改进,并建立了基于四元数的八状态参量系统模型;最后,借助开发的上位机工具,对系统进行静态与动态测试。论文重点对以下内容进行研究:1.针对钻具姿态测量系统设计,为满足体积小、功耗低、成本优的指标要求,制定了STM32103+MARG（Magnetometer Accelerometer and Rate Gyro）的组合测姿方案,并设计器件布局方式,通过工作模式识别与转换降低系统功耗。2.针对系统器件的确定性误差,对加速度计、陀螺仪与磁力计分别进行建模及误差标定实验,确定了模型中的参数。3.针对器件产生的随机噪声,研究多传感器数据融合方法,使用加速度计与磁力计的量测量补偿更新状态方程中的四元数,通过仿真对比分析扩展卡尔曼滤波算法与无迹卡尔曼滤波算法。为降低无迹卡尔曼滤波算法的计算成本,解决其发散问题,融合Carlson算法和渐消因子,设计改进的自适应无迹卡尔曼滤波算法,同时加入对称性判断与重设,以保证计算矩阵的正定性与对称性,减弱对系统方程中参量准确性的依赖,提高系统的稳定性。