基于手機(jī)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(duì)密切接觸者以及來自中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的人員進(jìn)行隔離是一種有效遏制疫情蔓延的措施.在該措施實(shí)施過程中，隔離人員會(huì)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(huì)安排監(jiān)管人員進(jìn)行24 h 的人盯人監(jiān)督.這種方式存在的問題包括：耗費(fèi)大量的人力和財(cái)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(shí)時(shí)收集、分析以及監(jiān)督人員的感染風(fēng)險(xiǎn)等.實(shí)現(xiàn)隔離人員的實(shí)時(shí)自動(dòng)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(jī)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(jī)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(jī)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(hào)、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(jī)GNSS 位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離人員行為的判別方法，利用從手機(jī)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(shí)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(jī)GNSS 芯片識(shí)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(shí)刻的位置、隔離者的實(shí)時(shí)位置以及隔離告警門限對(duì)隔離者進(jìn)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(shí)時(shí)獲取隔離者的當(dāng)前位置(經(jīng)緯度)信息以及手機(jī)GNSS 芯片識(shí)別的可見衛(wèi)星的CNR 信息，根據(jù)這些信息對(duì)隔離者是否離開隔離所在的建筑物進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)入隔離區(qū)域開始隔離時(shí)，可通過手機(jī)系統(tǒng)提供的GNSS 信息獲取API 得到手機(jī)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(tái)或窗口的位置進(jìn)行初始位置的確認(rèn).

在房間里選取了一個(gè)窗口的位置，通過Ublox 接收機(jī)獲取該位置的準(zhǔn)確經(jīng)緯度后，將手機(jī)放置于此位置，實(shí)測(cè)了通過手機(jī)GNSS 芯片得到2 h 內(nèi)的經(jīng)緯度信息，對(duì)前30 min、前1 h、前2 h 內(nèi)的經(jīng)緯度求平均值，并計(jì)算均值和該位置的真實(shí)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(duì)一段時(shí)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(shí)位置的誤差

圖3 前1 h 位置均值和真實(shí)位置的誤差

圖4 前2 h 位置均值和真實(shí)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(shí)初始位置，在判斷隔離者在一段時(shí)間內(nèi)沒有離開隔離區(qū)域時(shí)，可將該時(shí)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(tái)、窗口位置接收GPS 信號(hào)好的因素，將連續(xù)5 個(gè)時(shí)刻內(nèi)GPS 衛(wèi)星CNR 大于25 dBm 的個(gè)數(shù)超過3 顆的中間時(shí)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(shí)刻以及之前時(shí)刻有連續(xù)4 個(gè)時(shí)刻內(nèi)的GPS 衛(wèi)星CNR 大于25 dBm 的個(gè)數(shù)超過3 顆時(shí)，以此時(shí)刻為基準(zhǔn)，將此時(shí)刻前2 個(gè)時(shí)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(shí)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(jī)分別采集20 min 時(shí)長的室內(nèi)(不在陽臺(tái)及窗口)、陽臺(tái)窗口旁以及室外情況下手機(jī)GPS CNR 大于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星個(gè)數(shù)，并進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～7 所示.

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

圖6 陽臺(tái)和窗口處GPS CNR 大于25 dBm 的衛(wèi)星個(gè)數(shù)

圖7 室外GPS CNR 大于25 dBm 的衛(wèi)星個(gè)數(shù)

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，在除陽臺(tái)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(tái)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(tái)位置時(shí)，按照100 m2(長為20 m，寬為5 m)的隔離空間計(jì)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(jìn)行隔離者離開建筑物的判別時(shí)，可將隔離者走到陽臺(tái)、窗口和離開隔離建筑物時(shí)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(tái)和窗口時(shí)并未離開隔離建筑物，該情況需進(jìn)一步做分析處理.

具體的判別流程如圖8 所示.計(jì)算每一時(shí)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(shí)刻CNR 高于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星數(shù)量≥3 且t0-2、t0-3時(shí)刻CNR 高于25 dBm 的GPS 衛(wèi)星數(shù)量≤3時(shí)，認(rèn)為隔離者走到陽臺(tái)和窗口或者室外，進(jìn)行下一步判斷.

圖8 隔離者走向陽臺(tái)、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(shí)，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(jì)算隔離者走向陽臺(tái)、窗口或者室外時(shí)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(shí)刻接收的衛(wèi)星CNR 超過25 dBm 的個(gè)數(shù)判別隔離者是否在陽臺(tái)、窗口或者室外，如果衛(wèi)星CNR 超過25 dBm 的個(gè)數(shù)大于2 則認(rèn)為隔離者在陽臺(tái)、窗口或者室外，繼續(xù)計(jì)算該時(shí)刻和初始位置的距離，如果衛(wèi)星載噪比超過25 dBm 的個(gè)數(shù)小于2 則認(rèn)為隔離者不在陽臺(tái)、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(cè)試及性能分析

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

測(cè)試的隔離地點(diǎn)選擇單位家屬區(qū)的1 號(hào)樓1 單元1002 室，位置示意如圖10 所示.

圖10 隔離地點(diǎn)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(jī)相連測(cè)得，初始位置參考真值為(120.413 1°E，36.240 4°N).測(cè)試的路線為家中-陽臺(tái)-出家門-出樓門-繞院子一圈-進(jìn)入樓-進(jìn)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(shí)間段為第173～225 s，用MATLAB繪出的走動(dòng)軌跡圖如圖11 所示.

圖11 走動(dòng)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(gè)數(shù)小于3 顆，從第37 s 開始，連續(xù)4 個(gè)時(shí)刻內(nèi)的GPS CNR 大于25 dBm的衛(wèi)星個(gè)數(shù)不小于3 顆，因此1～39 s 的每個(gè)時(shí)刻，初始位置為開始時(shí)刻至此時(shí)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(jī)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(shí)刻判定方法得到的結(jié)果如圖13 所示.圖中，☆對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為測(cè)試中離開建筑物的實(shí)測(cè)時(shí)刻，對(duì)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(shí)刻判定方法判定的可能走向陽臺(tái)、窗口或離開建筑物的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)第38 s 和105 s.實(shí)測(cè)中，第38 s 為走向陽臺(tái)的時(shí)刻，第105 s 為離開隔離建筑物時(shí)刻，判定結(jié)果與實(shí)測(cè)相符.

圖13 隔離者可能離開隔離建筑物的判定時(shí)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(shí)線為預(yù)警50 m 距離閾值，紅色點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為預(yù)警時(shí)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(shí)刻為第173～225 s，跟實(shí)際測(cè)試時(shí)記錄的時(shí)間段是相吻合的，能夠準(zhǔn)確的對(duì)隔離者的行為進(jìn)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(jī)GNSS 位置信息的隔離者行為判別方法，采用MATLAB 對(duì)判別方法進(jìn)行了編碼實(shí)現(xiàn)，并利用手機(jī)APP 獲取了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本文提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隔離者是否離開隔離區(qū)域的自動(dòng)判別，避免人盯人監(jiān)督方式導(dǎo)致的財(cái)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(shí)時(shí)收集和分析和監(jiān)督人員易被感染等問題.