精准至毫米 多天线系统提升建筑结构健康

精准至毫米 多天线系统提升建筑结构健康

大型建筑物在内外力作用下，会产生变形和振动。因此，对于监测建筑物结构健康而言，能否测量出位置的微小变化和内在振动模式至关重要。

测量过程中，如何利用全球卫星定位系统（GNSS）配合惯性测量仪器（IMU）来精确测量出物体在三维空间中的微小形变、角速度和加速率，以确定建筑物的安全状况是技术关键所在。

为此，香港理工大学（理大）土地及空间研究院院长、土地测量及地理资讯学系测绘及地理资讯学讲座教授丁晓利教授研发出一套创新测量系统，通过接收全球卫星定位系统发射的信号，开发出全新的计算模型，大幅提升了测量的精准度，同时降低监测建筑物安全的成本。

结合升级软硬件 研发出创新多天线系统

「全球卫星定位系统并不是最新科技，我们的手机已能实现基本的定位功能。」丁教授介绍说。一般而言，手机的型号和软件越新，定位的准确度越高，因为它能接收更多的卫星位置信号。

以往，一套全球定位系统可能只包含20多颗卫星。近年来，随着全球定位系统的扩展，更多卫星发射升空，手机接收的卫星信号越来越多，因此定位准确度大幅提升，尤其是在有卫星信号遮挡的区域，如建筑物高度密集的市区，定位更精准。

然而，用于测量的定位系统，精准度通常需要以毫米来计算。如何准确地接收和解析来自太空卫星的数据，以达到更高的准确度？这是一项难度极高的任务。

为此，丁教授研发了一系列GNSS信号处理模型和算法，配备了多天线系统GNSS测量装置，通过有机结合多套全球卫星定位系统及惯性测量仪器的数据，大幅度提升了测量的稳定度和精准度。

结果显示，该技术的测量精度接近1.0 毫米，远高于普通GNSS装置的准确度。此外，丁教授的团队还发明了多天线GNSS技术，利用一台GNSS装置可依次接收多套天线的卫星信号，进一步降低了测量成本。

除硬件设备外，软件也会影响测量精度，其中涉及的技术包括算法和数据处理系统。

「卫星传输的信号会受到大气和其他观测环境的影响，因此会造成很多误差，我们的算法和软件就是要实时处理所收集到的数据并进行分析，以便更加精准地预测建筑物的位置变化，以便适时作出反应。虽然同样是全球卫星定位系统，但所采用的技术要复杂的多，一般手机根本无法完成。」

理大天桥和建筑项目 确保进度及安全

今天，这套系统已经安装在不同的大型建筑物上，其中包括连接理大新旧校园的行人天桥。

「作为天桥结构健康监测系统的一部分，我们在天桥上下方四个位置分别安装了GNSS测量系统装置，以便在出现极端天气或情况后监测天桥的结构安全。」系统实时收集并分析卫星数据，以监察大桥是否发生移位，并适时提出预警。该系统无需任何人工监测，因此管理成本可控。「这套系统还可以安装在斜坡上，预测潜在的塌方危险。」

这套测量系统及相关研究工作荣获理大颁发的「校长特设杰出成就奖（知识转移）」 大奖，并成功应用于多个大型建筑项目上。