基于手機GNSS 位置信息的隔離者行為判別技術(shù)

劉少林，馬寶田，靳睿敏，甄衛(wèi)民

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0 引言

在新冠疫情爆發(fā)期間，對密切接觸者以及來自中高風(fēng)險區(qū)的人員進行隔離是一種有效遏制疫情蔓延的措施.在該措施實施過程中，隔離人員會被要求待在家里或集中隔離，為了避免隔離人員擅自離開隔離區(qū)域，會安排監(jiān)管人員進行24 h 的人盯人監(jiān)督.這種方式存在的問題包括：耗費大量的人力和財力、人盯人方式容易出現(xiàn)監(jiān)督漏洞、隔離的相關(guān)數(shù)據(jù)信息無法實時收集、分析以及監(jiān)督人員的感染風(fēng)險等.實現(xiàn)隔離人員的實時自動監(jiān)控，能夠有效避免人盯人的監(jiān)督方式所產(chǎn)生的問題.

目前，幾乎所有的智能手機里都內(nèi)嵌了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)芯片，并且大部分手機中的GNSS芯片包括了GPS 和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)[1].手機GNSS 的程序接口(API) 中提供了一些輸出接收到的GNSS 相關(guān)數(shù)據(jù)的函數(shù)，這些函數(shù)輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)包括可見衛(wèi)星的編號、載噪比(CNR)、方位角、仰角以及位置數(shù)據(jù)[1-4]等信息.

本文提出了基于手機GNSS 位置信息實現(xiàn)對隔離人員行為的判別方法，利用從手機GNSS 芯片獲取的位置信息、衛(wèi)星數(shù)量以及CNR 信息等數(shù)據(jù)實現(xiàn)[5].首先采用一定的方法給出隔離者的初始隔離位置；接著根據(jù)手機GNSS 芯片識別的可見衛(wèi)星的CNR 信息判別隔離者是否離開隔離的建筑物；若隔離者離開隔離建筑物，根據(jù)離開建筑物時刻的位置、隔離者的實時位置以及隔離告警門限對隔離者進行離開隔離區(qū)的判別和告警[6].

1 隔離者行為判別方法及算法分析

1.1 隔離者行為判別方法分析

隔離者行為判別方法流程如圖1 所示.首先要確定隔離者的初始位置，然后實時獲取隔離者的當(dāng)前位置(經(jīng)緯度)信息以及手機GNSS 芯片識別的可見衛(wèi)星的CNR 信息，根據(jù)這些信息對隔離者是否離開隔離所在的建筑物進行判別，如果判別結(jié)果為隔離者可能離開隔離區(qū)域，下一步將計算隔離者離開的距離，并判斷離開的距離是否超過閾值，如果超過閾值，則發(fā)出告警提示，如果未超過閾值，則繼續(xù)計算隔離者離開的距離(只考慮經(jīng)緯度的距離，不考慮高度).

圖1 隔離者行為判別方法流程

上述方法流程中需要計算和判別的信息包括隔離者的初始位置、隔離者是否離開隔離建筑物、隔離者離開的距離是否超過所設(shè)閾值.

1.2 隔離初始位置確定方法

當(dāng)隔離者進入隔離區(qū)域開始隔離時，可通過手機系統(tǒng)提供的GNSS 信息獲取API 得到手機GNSS 的位置信息，但是由于建筑物的遮擋導(dǎo)致隔離者在房間里獲取的位置不是很準(zhǔn)確[7-9]，可在陽臺或窗口的位置進行初始位置的確認(rèn).

在房間里選取了一個窗口的位置，通過Ublox 接收機獲取該位置的準(zhǔn)確經(jīng)緯度后，將手機放置于此位置，實測了通過手機GNSS 芯片得到2 h 內(nèi)的經(jīng)緯度信息，對前30 min、前1 h、前2 h 內(nèi)的經(jīng)緯度求平均值，并計算均值和該位置的真實經(jīng)緯度的誤差，得到的結(jié)果分別如圖2～4 所示.從分析結(jié)果看，在房間里，通過對一段時間內(nèi)獲取的位置求平均值可以使初始隔離位置更加準(zhǔn)確.

圖2 前30 min 位置均值和真實位置的誤差

圖3 前1 h 位置均值和真實位置的誤差

圖4 前2 h 位置均值和真實位置的誤差

通過以上分析，隔離者在開始隔離后將可將獲取的初始位置作為隔離者的臨時初始位置，在判斷隔離者在一段時間內(nèi)沒有離開隔離區(qū)域時，可將該時間段內(nèi)的位置均值更新為隔離者的初始位置.

此外還考慮到隔離人員在陽臺、窗口位置接收GPS 信號好的因素，將連續(xù)5 個時刻內(nèi)GPS 衛(wèi)星CNR 大于25 dBm 的個數(shù)超過3 顆的中間時刻定位位置作為初始位置.

因此，如果開始隔離后，一旦判斷此時刻以及之前時刻有連續(xù)4 個時刻內(nèi)的GPS 衛(wèi)星CNR 大于25 dBm 的個數(shù)超過3 顆時，以此時刻為基準(zhǔn)，將此時刻前2 個時刻的定位位置作為隔離初值，否則，隔離者沒有離開隔離區(qū)域的時間段內(nèi)位置均值將作為隔離者的初始位置[10-16].

1.3 隔離者可能離開隔離建筑物的判定

用手機分別采集20 min 時長的室內(nèi)(不在陽臺及窗口)、陽臺窗口旁以及室外情況下手機GPS CNR 大于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星個數(shù)，并進行分析，結(jié)果如圖5～7 所示.

圖5 除陽臺和窗口旁的室內(nèi)其它位置GPS CNR大于25 dBm 的衛(wèi)星個數(shù)

圖6 陽臺和窗口處GPS CNR 大于25 dBm 的衛(wèi)星個數(shù)

圖7 室外GPS CNR 大于25 dBm 的衛(wèi)星個數(shù)

通過以上實驗可知，在除陽臺和窗口旁的室內(nèi)任意位置的CNR 高于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星數(shù)量明顯少于室外，在陽臺和靠近窗口的位置GPS 衛(wèi)星數(shù)量接近于室外.

但是在陽臺位置時，按照100 m2(長為20 m，寬為5 m)的隔離空間計算，隔離者離開的最大距離為20.6 m，加上10 m 的誤差，離開的最大距離為30.6 m.因此，在進行隔離者離開建筑物的判別時，可將隔離者走到陽臺、窗口和離開隔離建筑物時一起判定為隔離者可能離開了隔離建筑物，但隔離者走到陽臺和窗口時并未離開隔離建筑物，該情況需進一步做分析處理.

具體的判別流程如圖8 所示.計算每一時刻衛(wèi)星載噪比高于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星數(shù)量，如果t0、t0-1時刻CNR 高于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星數(shù)量≥3 且t0-2、t0-3時刻CNR 高于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星數(shù)量≤3時，認(rèn)為隔離者走到陽臺和窗口或者室外，進行下一步判斷.

圖8 隔離者走向陽臺、窗口或者室外的判別流程

1.4 隔離者離開的距離是否超過所設(shè)閾值的判定

設(shè)置離開的閾值為50 m 時，隔離者離開的距離是否超過所設(shè)閾值的判定流程如圖9 所示.首先計算隔離者走向陽臺、窗口或者室外時刻的位置和初始位置的距離，如果距離超過設(shè)定閾值，則直接告警，如果未超過，則通過當(dāng)前時刻接收的衛(wèi)星CNR 超過25 dBm 的個數(shù)判別隔離者是否在陽臺、窗口或者室外，如果衛(wèi)星CNR 超過25 dBm 的個數(shù)大于2 則認(rèn)為隔離者在陽臺、窗口或者室外，繼續(xù)計算該時刻和初始位置的距離，如果衛(wèi)星載噪比超過25 dBm 的個數(shù)小于2 則認(rèn)為隔離者不在陽臺、窗口或者室外，回到隔離者是否離開隔離建筑物的判定步驟.

圖9 隔離者離開的距離是否超過所設(shè)閾值的判定流程

2 測試及性能分析

采用MATLAB 編寫代碼實現(xiàn)本文提出的基于手機GNSS 位置信息的隔離者行為判別方法，測試數(shù)據(jù)通過手機的GPS Test.APK 應(yīng)用程序獲取.

測試的隔離地點選擇單位家屬區(qū)的1 號樓1 單元1002 室，位置示意如圖10 所示.

圖10 隔離地點示意圖

隔離者初始位置的參考真值通過架設(shè)在窗口的GNSS 天線和Ublox 接收機相連測得，初始位置參考真值為(120.413 1°E，36.240 4°N).測試的路線為家中-陽臺-出家門-出樓門-繞院子一圈-進入樓-進入家中.其中在第0～104 s 期間，隔離者在隔離所在的建筑物內(nèi)，105～283 s 期間繞院子一圈，284 s 后回到了隔離所在的建筑物內(nèi).隔離者離開樓門后，與初始位置間距超過50 m 的時間段為第173～225 s，用MATLAB繪出的走動軌跡圖如圖11 所示.

圖11 走動軌跡圖

采用1.2 節(jié)的隔離初始位置確定方法確定隔離者初始位置.開始隔離后，通過判斷，在1～37 s 內(nèi)GPS CNR 大于25 dBm 的衛(wèi)星個數(shù)小于3 顆，從第37 s 開始，連續(xù)4 個時刻內(nèi)的GPS CNR 大于25 dBm的衛(wèi)星個數(shù)不小于3 顆，因此1～39 s 的每個時刻，初始位置為開始時刻至此時刻的位置均值，從第40 s開始起，初始位置均使用第40 s 的定位結(jié)果信息.得到的隔離者初始位置如圖12 所示，從第40 s 之后，隔離者位置確定為(120.4131°E，36.2404°N)，不再發(fā)生變化，與通過Ublox 接收機得到的參考初始位置是一致的.

圖12 確定的隔離初始位置

采用本文隔離者可能離開隔離建筑物的時刻判定方法得到的結(jié)果如圖13 所示.圖中，☆對應(yīng)的時刻為測試中離開建筑物的實測時刻，對應(yīng)第105 s；○為采用本文中隔離者可能離開隔離建筑物的時刻判定方法判定的可能走向陽臺、窗口或離開建筑物的時刻，對應(yīng)第38 s 和105 s.實測中，第38 s 為走向陽臺的時刻，第105 s 為離開隔離建筑物時刻，判定結(jié)果與實測相符.

圖13 隔離者可能離開隔離建筑物的判定時刻

采用本文的隔離者離開的距離是否超過所設(shè)閾值的判定方法得到的結(jié)果如圖14 所示，其中紅色實線為預(yù)警50 m 距離閾值，紅色點對應(yīng)的時刻為預(yù)警時刻，從圖中可以看出，隔離者離開初始位置超過隔離距離閾值的時刻為第173～225 s，跟實際測試時記錄的時間段是相吻合的，能夠準(zhǔn)確的對隔離者的行為進行判別.

圖14 隔離者可能離開隔離建筑物的判定結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出了一種基于手機GNSS 位置信息的隔離者行為判別方法，采用MATLAB 對判別方法進行了編碼實現(xiàn)，并利用手機APP 獲取了實測數(shù)據(jù)，通過實測數(shù)據(jù)驗證，本文提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對隔離者是否離開隔離區(qū)域的自動判別，避免人盯人監(jiān)督方式導(dǎo)致的財力和人力消耗，以及容易出現(xiàn)監(jiān)督漏洞、隔離的相關(guān)數(shù)據(jù)信息無法實時收集和分析和監(jiān)督人員易被感染等問題.