基于手机GNSS 位置信息的隔离者行为判别技术

刘少林，马宝田，靳睿敏，甄卫民

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

0 引言

在新冠疫情爆发期间，对密切接触者以及来自中高风险区的人员进行隔离是一种有效遏制疫情蔓延的措施.在该措施实施过程中，隔离人员会被要求待在家里或集中隔离，为了避免隔离人员擅自离开隔离区域，会安排监管人员进行24 h 的人盯人监督.这种方式存在的问题包括：耗费大量的人力和财力、人盯人方式容易出现监督漏洞、隔离的相关数据信息无法实时收集、分析以及监督人员的感染风险等.实现隔离人员的实时自动监控，能够有效避免人盯人的监督方式所产生的问题.

目前，几乎所有的智能手机里都内嵌了全球卫星导航系统(GNSS)芯片，并且大部分手机中的GNSS芯片包括了GPS 和北斗卫星导航系统(BDS)[1].手机GNSS 的程序接口(API) 中提供了一些输出接收到的GNSS 相关数据的函数，这些函数输出的相关数据包括可见卫星的编号、载噪比(CNR)、方位角、仰角以及位置数据[1-4]等信息.

本文提出了基于手机GNSS 位置信息实现对隔离人员行为的判别方法，利用从手机GNSS 芯片获取的位置信息、卫星数量以及CNR 信息等数据实现[5].首先采用一定的方法给出隔离者的初始隔离位置；接着根据手机GNSS 芯片识别的可见卫星的CNR 信息判别隔离者是否离开隔离的建筑物；若隔离者离开隔离建筑物，根据离开建筑物时刻的位置、隔离者的实时位置以及隔离告警门限对隔离者进行离开隔离区的判别和告警[6].

1 隔离者行为判别方法及算法分析

1.1 隔离者行为判别方法分析

隔离者行为判别方法流程如图1 所示.首先要确定隔离者的初始位置，然后实时获取隔离者的当前位置(经纬度)信息以及手机GNSS 芯片识别的可见卫星的CNR 信息，根据这些信息对隔离者是否离开隔离所在的建筑物进行判别，如果判别结果为隔离者可能离开隔离区域，下一步将计算隔离者离开的距离，并判断离开的距离是否超过阈值，如果超过阈值，则发出告警提示，如果未超过阈值，则继续计算隔离者离开的距离(只考虑经纬度的距离，不考虑高度).

图1 隔离者行为判别方法流程

上述方法流程中需要计算和判别的信息包括隔离者的初始位置、隔离者是否离开隔离建筑物、隔离者离开的距离是否超过所设阈值.

1.2 隔离初始位置确定方法

当隔离者进入隔离区域开始隔离时，可通过手机系统提供的GNSS 信息获取API 得到手机GNSS 的位置信息，但是由于建筑物的遮挡导致隔离者在房间里获取的位置不是很准确[7-9]，可在阳台或窗口的位置进行初始位置的确认.

在房间里选取了一个窗口的位置，通过Ublox 接收机获取该位置的准确经纬度后，将手机放置于此位置，实测了通过手机GNSS 芯片得到2 h 内的经纬度信息，对前30 min、前1 h、前2 h 内的经纬度求平均值，并计算均值和该位置的真实经纬度的误差，得到的结果分别如图2～4 所示.从分析结果看，在房间里，通过对一段时间内获取的位置求平均值可以使初始隔离位置更加准确.

图2 前30 min 位置均值和真实位置的误差

图3 前1 h 位置均值和真实位置的误差

图4 前2 h 位置均值和真实位置的误差

通过以上分析，隔离者在开始隔离后将可将获取的初始位置作为隔离者的临时初始位置，在判断隔离者在一段时间内没有离开隔离区域时，可将该时间段内的位置均值更新为隔离者的初始位置.

此外还考虑到隔离人员在阳台、窗口位置接收GPS 信号好的因素，将连续5 个时刻内GPS 卫星CNR 大于25 dBm 的个数超过3 颗的中间时刻定位位置作为初始位置.

因此，如果开始隔离后，一旦判断此时刻以及之前时刻有连续4 个时刻内的GPS 卫星CNR 大于25 dBm 的个数超过3 颗时，以此时刻为基准，将此时刻前2 个时刻的定位位置作为隔离初值，否则，隔离者没有离开隔离区域的时间段内位置均值将作为隔离者的初始位置[10-16].

1.3 隔离者可能离开隔离建筑物的判定

用手机分别采集20 min 时长的室内(不在阳台及窗口)、阳台窗口旁以及室外情况下手机GPS CNR 大于25 dBm 的GPS 卫星个数，并进行分析，结果如图5～7 所示.

图5 除阳台和窗口旁的室内其它位置GPS CNR大于25 dBm 的卫星个数

图6 阳台和窗口处GPS CNR 大于25 dBm 的卫星个数

图7 室外GPS CNR 大于25 dBm 的卫星个数

通过以上实验可知，在除阳台和窗口旁的室内任意位置的CNR 高于25 dBm 的GPS 卫星数量明显少于室外，在阳台和靠近窗口的位置GPS 卫星数量接近于室外.

但是在阳台位置时，按照100 m2(长为20 m，宽为5 m)的隔离空间计算，隔离者离开的最大距离为20.6 m，加上10 m 的误差，离开的最大距离为30.6 m.因此，在进行隔离者离开建筑物的判别时，可将隔离者走到阳台、窗口和离开隔离建筑物时一起判定为隔离者可能离开了隔离建筑物，但隔离者走到阳台和窗口时并未离开隔离建筑物，该情况需进一步做分析处理.

具体的判别流程如图8 所示.计算每一时刻卫星载噪比高于25 dBm 的GPS 卫星数量，如果t0、t0-1时刻CNR 高于25 dBm 的GPS 卫星数量≥3 且t0-2、t0-3时刻CNR 高于25 dBm 的GPS 卫星数量≤3时，认为隔离者走到阳台和窗口或者室外，进行下一步判断.

图8 隔离者走向阳台、窗口或者室外的判别流程

1.4 隔离者离开的距离是否超过所设阈值的判定

设置离开的阈值为50 m 时，隔离者离开的距离是否超过所设阈值的判定流程如图9 所示.首先计算隔离者走向阳台、窗口或者室外时刻的位置和初始位置的距离，如果距离超过设定阈值，则直接告警，如果未超过，则通过当前时刻接收的卫星CNR 超过25 dBm 的个数判别隔离者是否在阳台、窗口或者室外，如果卫星CNR 超过25 dBm 的个数大于2 则认为隔离者在阳台、窗口或者室外，继续计算该时刻和初始位置的距离，如果卫星载噪比超过25 dBm 的个数小于2 则认为隔离者不在阳台、窗口或者室外，回到隔离者是否离开隔离建筑物的判定步骤.

图9 隔离者离开的距离是否超过所设阈值的判定流程

2 测试及性能分析

采用MATLAB 编写代码实现本文提出的基于手机GNSS 位置信息的隔离者行为判别方法，测试数据通过手机的GPS Test.APK 应用程序获取.

测试的隔离地点选择单位家属区的1 号楼1 单元1002 室，位置示意如图10 所示.

图10 隔离地点示意图

隔离者初始位置的参考真值通过架设在窗口的GNSS 天线和Ublox 接收机相连测得，初始位置参考真值为(120.413 1°E，36.240 4°N).测试的路线为家中-阳台-出家门-出楼门-绕院子一圈-进入楼-进入家中.其中在第0～104 s 期间，隔离者在隔离所在的建筑物内，105～283 s 期间绕院子一圈，284 s 后回到了隔离所在的建筑物内.隔离者离开楼门后，与初始位置间距超过50 m 的时间段为第173～225 s，用MATLAB绘出的走动轨迹图如图11 所示.

图11 走动轨迹图

采用1.2 节的隔离初始位置确定方法确定隔离者初始位置.开始隔离后，通过判断，在1～37 s 内GPS CNR 大于25 dBm 的卫星个数小于3 颗，从第37 s 开始，连续4 个时刻内的GPS CNR 大于25 dBm的卫星个数不小于3 颗，因此1～39 s 的每个时刻，初始位置为开始时刻至此时刻的位置均值，从第40 s开始起，初始位置均使用第40 s 的定位结果信息.得到的隔离者初始位置如图12 所示，从第40 s 之后，隔离者位置确定为(120.4131°E，36.2404°N)，不再发生变化，与通过Ublox 接收机得到的参考初始位置是一致的.

图12 确定的隔离初始位置

采用本文隔离者可能离开隔离建筑物的时刻判定方法得到的结果如图13 所示.图中，☆对应的时刻为测试中离开建筑物的实测时刻，对应第105 s；○为采用本文中隔离者可能离开隔离建筑物的时刻判定方法判定的可能走向阳台、窗口或离开建筑物的时刻，对应第38 s 和105 s.实测中，第38 s 为走向阳台的时刻，第105 s 为离开隔离建筑物时刻，判定结果与实测相符.

图13 隔离者可能离开隔离建筑物的判定时刻

采用本文的隔离者离开的距离是否超过所设阈值的判定方法得到的结果如图14 所示，其中红色实线为预警50 m 距离阈值，红色点对应的时刻为预警时刻，从图中可以看出，隔离者离开初始位置超过隔离距离阈值的时刻为第173～225 s，跟实际测试时记录的时间段是相吻合的，能够准确的对隔离者的行为进行判别.

图14 隔离者可能离开隔离建筑物的判定结果

3 结论

本文提出了一种基于手机GNSS 位置信息的隔离者行为判别方法，采用MATLAB 对判别方法进行了编码实现，并利用手机APP 获取了实测数据，通过实测数据验证，本文提出的方法能够实现对隔离者是否离开隔离区域的自动判别，避免人盯人监督方式导致的财力和人力消耗，以及容易出现监督漏洞、隔离的相关数据信息无法实时收集和分析和监督人员易被感染等问题.