弹体在飞行过程中绕自身纵轴旋转可以带来很多益处，因此，国内外许多反坦克导弹、地空导弹、炮弹以及火箭弹均采用这种自旋体制。本文以旋转弹药为研究对象，以弹上装载惯性测量元件(Inertial Measurement Unit, IMU)为背景，对旋转弹的导航方案与导航算法以及解耦控制系统设计问题展开研究。首先，针对高速旋转弹药滚转角速率不易直接测量的问题对其IMU构型方案进行研究。在分析准无陀螺构型可行性条件的基础上，结合现有构型的优点，提出一种五加速度计双陀螺仪的IMU构型方案。针对安装参数确定问题，建立了一种基于输出角速度信息误差最小化的构型优化模型，并利用遗传算法得到该方案的最优安装参数。该最优构型在角速度解算时将俯仰、偏航、滚转三通道解耦，提高了测量精度和解算效率。其次，针对无陀螺或准无陀螺IMU输出角速度信息的特点开展旋转弹药的角速度解算方法研究。建立了一种不局限于加速度计构型方式的带有时变过程噪声的通用角速度解算模型，将Sage-Husa次优最大后验概率(Maximum a Posteriori, MAP)噪声估计器与无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)算法相结合，得到一种高精度的自适应UKF角速度解算方法。进而，针对UKF计算量大的缺点，利用超球面采样策略(Spherical Simplex, SS)代替传统的比例对称采样策略，并基于所建立模型线性状态方程和加性噪声的特点，推导出简化的自适应SSUKF算法进行角速度解算，在保证解算精度的同时大大提高了计算效率。第三，针对无陀螺或准无陀螺IMU输出为角速率和比力的特点，对适用于无陀螺和准无陀螺惯导系统的导航算法进行研究。推导出一套基于角速率和比力的改进导航算法，直接利用无陀螺或准无陀螺IMU输出的角速率和比力进行导航解算，避免了通过积分提取角增量和速度增量可能引入的误差。相比于传统的基于角增量和速度增量的导航算法以及基于角速率和比力的简化导航算法，该改进算法在IMU输出角速率和比力的情况下能够有效地减缓误差发散速度。第四，针对旋转弹侧向通道间存在的耦合问题开展旋转弹解耦控制系统设计方法研究。在双通道解耦控制系统设计方面，基于弹体侧向运动方程，采用线性系统几何理论的动态解耦控制方法来解决弹体俯仰、偏航通道间存在的耦合问题。在三通道解耦控制系统设计方面，建模时将滚转角速度直接作为状态量，采用微分几何解耦控制方法设计了一种直接带有旋转角速度反馈的控制律。进而，基于平衡转速对控制律进行简化。该解耦控制系统利用结构简单的控制器完成了较好的解耦控制效果，同时对转速变化也具有较强的适应性。最后，对本文工作进行了总结，并指出了需要进一步开展的研究工作。