本课题是在国家科技部“极地环境观测/探测技术与装备研发”项目的子课题“北极海-冰-气无人冰站观测系统研发”（项目编号:2016YFC1400300）的资助下针对北极环境观测设计的一种海-冰-气耦合无人冰站监测系统。21世纪以来,全球气候出现了显著的变化,全球气候变暖引起越来越多科学家的关注。近年来北极气候变暖速度大约是世界上其他区域的两倍,出现了冰川和海冰大面积融化、永冻层解冻、雪季缩短的现象,这被称为“北极放大”现象[1-3]。海冰作为冰冻圈中的重要组成部分,是表面热量收支和海洋热通量共同作用的产物,因此海冰的生长和消融在气候变化中具有重要影响[4-6]。近年来,布放在北极的海冰浮标通过长期观测,取得了大量的气象学数据,很多数据已经在相关研究中得到了应用[7,8]。目前,国内外冰基浮标主要包括:CALl B（Compact Air Launched Ice Beacon）浮标、M-CAD（METOCEAN Compact Arctic Drifter）浮标、IMB（Ice Mass Balance）海冰物质平衡浮标。其中,CALl B浮标可以采用空投布放的方式进行浮标布放,浮标上搭载的传感器主要包括:冰温探测传感器、气压探测传感器、ARGOS遥测装置;M-CAD浮标获取的现场数据主要包括:风速风向、气温、气压和水下电导率、深度、盐度;IMB海冰物质平衡浮标主要用来获取海冰厚度、温度数据和气象数据、上层海洋数据等参数。综合分析以上浮标的工作情况,可以得知这些监测浮标都有其不足之处,比如数据测量精度低、传感器种类不丰富等,不能对北极环境进行长期监测,缺少综合化的监测数据,缺少常年监测数据。科技部“极地环境观测/探测技术与装备研发”子课题—北极海-冰-气无人冰站观测系统研发的主要任务是围绕北极海冰变化及海-冰-气相互作用过程,研发海冰、大气边界层和上层海洋界面通量观测技术与装备,集成海-冰-气无人冰站观测系统,实现北冰洋近冰面大气-积雪-海冰-上层海洋变化与反馈过程关键参数的长期无人值守观测。本文在分析国内外北极环境监测技术的基础上,针对北极现场监测环境的特殊性和复杂性,设计北极海-冰-气无人冰站监测系统;针对现场供电不足和数据传输可靠性差的问题,设计无人冰站电源管理策略和双铱星通讯策略,保证系统的可靠运行;根据监测需求详细研究了硬件结构设计方案和软件实现方案,在硬件电路设计、传感器集成测试、电源管理策略设计的基础上,成功研制海-冰-气多参数北极无人冰站自动监测系统,实现了对北极海-冰-气多参数的长期远程监测。本文研制的北极无人冰站监测系统由包括主、副浮标两个单元组成,包括大气边界层子系统、海冰观测系统（积雪/海冰垂向温度廓线模块、海冰厚度模块）、冰下海洋固定层位模块（获取上层海洋不同层位的海洋参数）、以及通讯模块、电池组等。其中,大气边界层观测系统单独安装在观测塔上独立布放,获取海洋上层参数的传感器搭载在副浮标上,采集的数据可以通过通讯电缆传输给主浮标。本系统的电源管理策略包括储能系统管理策略、MCU电源控制策略、负载电源管理策略三个部分。在储能系统的管理策略中,引入卡尔曼滤波算法对电池的SOC进行精确估算,并在此基础上设计系统供电策略,提高电池的使用效率;在MCU电源控制策略中,根据系统的工作需求切换MCU的工作模式并对电源模块进行控制;在负载电源管理策略中,利用动态规划算法求得不同传感器采集频率的最优组合,使监测系统的工作模式达到最好效果。北极无人冰站监测系统的主浮标是系统的核心部分,其搭载了全部海冰观测子系统和部分大气边界观测系统的观测模块,同时负责系统的控制与卫星通信;副浮标和主浮标组成子母标,主要搭载冰下海洋固定层位观测模块,与主浮标通过缆线连接。正常工况下副浮标上层海洋的观测数据由缆线传输至主浮标控制器,并通过主浮标的通讯模块进行发送。本文对北极无人冰站监测系统进行了实验室和野外的低温实验,通过大量实验验证系统工作的稳定性和数据采集的准确性,在总结各项实验经验的基础上,对无人冰站监测系统进行优化改进并在北极现场进行安装,结果表明,该系统能够有效获取现场数据并进行数据传输,相比同类产品,具有经济性好,精度高和数据通讯实时性好等优点。