隨著空間態勢感知(SSA)系統的不斷升級,衛星等高價值空間資產可以得到持續的跟蹤,并且越來越多的空間物體(OIS)逐漸被發現。但目前仍然很難跟蹤直徑小于10厘米的空間碎片,SSA系統在“通過自主發現而進行更新”方面存在局限性。集中式的解決方案(通過運營商之間的合作)由于存在突出的信任問題和成本問題而缺乏效率。作為一種去中心化的方案,區塊鏈技術在多個領域已經得到有效的應用,在空間態勢感知領域也日益表現出巨大的應用價值。
一、主要應用途徑
區塊鏈技術是一種分布式記賬技術,是一種融合了加密技術、P2P技術、共識機制、分布式數據存儲的新型應用模式。其本質是一個去中心化的數據庫,由多方共同維護,使用加密技術保護傳輸和訪問安全,能夠實現數據一致存儲、難以篡改、防止抵賴。
“標記化”是一種將實體資產數字化并存儲在區塊鏈數據庫中的方法,是區塊鏈技術在空間態勢感知領域的主要應用途徑。據埃及科學研究小組的Mohamed Torky博士介紹,“區塊鏈技術可以為處理和操作空間資產提供分散和安全的技術,將其作為空間數字代幣。衛星、軌道矢量、空間碎片、小行星、航天器、宇航員等空間資源可以基于區塊鏈的數字代幣形式進行數字處理。”在空間態勢感知中,主要是對空間資產和空間資源的標記。
空間資產的標記化可能會改變太空資產的擁有和建造方式,據普華永道航天工業分析師Aravind Ravichandran的介紹,區塊鏈可以改善航天領域的合作機制,“A國可以貢獻任務成本的30%,并擁有30%的航天器,而B國可以貢獻剩余的70%”。
空間資源的標記化包括在空間采礦的背景下的小行星和月球,隨著美國重啟“阿爾忒彌斯”計劃(目標是在2024年讓宇航員重返月球并于2028年前實現月球的常態化開發),空間資源開發已經受到各國重視。
二、典型技術分析
區塊鏈和去中心化網絡提供了獨特的功能。有些公司正在嘗試利用基于區塊鏈的去中心網絡來連接整個地球。像SpaceChain這樣的公司正在開發將在太空中運行的開源區塊鏈網絡。
南加州大學的Swapnil Anil Surdi針對當前衛星和碎片跟蹤系統的不足,基于區塊鏈的思想,探索了一個自組織的分散式地面站和衛星網絡。在這一網絡中,可能的碰撞可以被更好地感知,而不是由地面的系統進行預測。一旦建立了這樣的SSA系統,它將使許多空間操作變得更加容易,能夠比當前的SSA系統更快地檢測到沖突,比當前系統更快地傳播信息。在一個由衛星、地面站組成的網絡中,某些節點將執行更多任務,并有助于創建塊。下面討論其中的關鍵技術需求。
智能合約和去中心的自治組織(DAO)
跟蹤和避免碎片是短暫的操作過程。用于軌道位置分配的DAO可以促進空間機構之間的平穩、協調運行。一艘太空飛船可以在某個時間預定通過某一條空間路徑,而其他空間物體會回避。它們可以根據去中心網絡中可用的數據選擇可用路徑。同樣,特殊頻率操作也可以這樣進行預訂。
GAS,貨幣和電能輸送
在常規的區塊鏈網絡中,創建貨幣是為了促進不同的操作和交易。從空間網絡的初步判斷來看,很難制定激勵措施。一旦對網絡開始使用,對節點的性能和維護進行了充分探索,就可以確定交易成本和采礦獎勵。GAS及其限制用于支付節點資源的使用費用。時間和計算能力決定了交易成本。
傳統的區塊鏈網絡使用互聯網作為骨干網絡。因此,如果節點提供功率而不是交易成本,它將無法通過該網絡傳遞能量。只需少量的交易成本就可以提供動力。太陽同步軌道上的衛星可以從太陽獲得所需的所有動力。其余軌道在其軌道上某處有月食。在月食期間,電池用于為衛星供電。這些太陽同步軌道衛星可以通過波束成形為其他衛星供電。簡而言之,具有大量功率的衛星可以通過將功率傳輸到目標節點來支付費用。對于這種情況,必須做更多的研究。
網絡節點
區塊鏈網絡的實現有很多類型。對于當前應用,需要一種新型的網絡設計。如果我們考慮已經存在于太空中的現有架構,則它們主要由遵循自己協議的衛星網絡組成。有針對不同消費者需求推出的星座。這些群集中的每個都有自己的網絡。為了利用這些網絡,必須設計一個網絡間協議。將節點分為以下類型:
全節點,礦工,廣播者——Alpha節點
專用節點,路由器,感知衛星——Beta節點
末端用戶節點,太空飛船,衛星,空間站——Gamma節點
Gamma節點將用于所有所需的目的。Beta和Gamma節點不必攜帶整個區塊鏈或塊集。Alpha和Beta節點(服務節點)之間將有特殊合約。根據節點上的通信可用性和Alpha節點的范圍,將有數量有限的Alpha節點。Alpha節點將充當網絡的骨干網。
為了更好地跟蹤,將設計一種可以放在新衛星上的小型設備或跟蹤器。衛星運營商可以隨時將其關閉。這將使追蹤衛星和識別衛星變得更加容易。這樣的衛星或物體將是網絡中的Gamma節點。
圖表:網絡節點韋恩圖
資料來源:南加州大學
安全性、信任度和匿名性
對于網絡,保護Alpha節點比其他節點具有更高的優先級。對常規區塊鏈的攻擊主要是由于涉及的貨幣或數據。這些原因不會在軌道碎片中顯現出來。必須建立一種增加信任的機制。當新節點加入網絡時,沒有人參與,網絡如何確定該節點是“好”還是“壞”?審核可由網絡節點執行,這將為該節點創建可信度指標。可以使用報告來報告有關節點的問題。
網絡架構
基于區塊鏈的SSA系統的愿景與美國國防分析研究所的報告中描述的框架相匹配。
圖表:網絡架構
資料來源:南加州大學
網絡節點將使用區塊鏈協議以及一些其他協議在應用程序層上進行交互。區塊鏈將參與數據共享,數據收集,監督和協調。它將提供用于“監督和協調”的數據產品。去中心網絡將擁有一個Alpha節點的分散式無線骨干網。對于大規模的網絡初始部署,需要此主干網來簡化操作。開發人員將設計服務于網絡的區塊鏈協議。
網絡協議
區塊鏈網絡需要某種網絡架構,以促進節點之間的連接。對于太空中的區塊鏈,沒有這樣的網絡架構。它必須從頭開始構建。有一些公司為這種架構提供了骨干,但它將是更加集中的解決方案。如果單個實體擁有網絡的骨干網,則將存在一個中央故障點。必須設計一種新的網絡協議,該協議可以在假設多個可用信道的情況下運行。與集中式網絡不同,分散式網絡中可能同時存在兩個連接。這就像一個Ad-hoc無線網狀網絡。它與自組織網絡的不同之處在于,擁有網絡節點的實體不同。傳統的Ad-hoc網絡需要事先設置時間。對于這個基于空間的網絡,應該有一些協議可以自動配置網絡。隨著節點的增加以及環境的變化,它必須適應。環境的變化可能是太陽耀斑,也可能是其他用戶使用了網絡應該使用的頻率。如果網絡的某個路徑變得不可用,則它必須能夠使用其他路徑到達該節點。這些都是計算上的挑戰,也是對已知問題的對策。需要指出網絡協議要求進行更多的研究。一個重要的要求可能是它必須使用最小帶寬。使用軟件定義的無線電,可以以不同的頻率發送和接收信號。如果需要,構建一個可以利用更多頻率的協議是明智的。隨著網絡中密度的增加,單個節點將不必直接與遠程節點進行通信。網絡協議將必須包含各種密度的此類方案。
次要用例和優先級
飛船、衛星和空間站將使用區塊鏈網絡。由于包含特殊用途的β節點,因此網絡可以是較小的網絡。這些節點將允許連接到外部網絡。例如,一艘太空船需要有關近期太陽耀斑的信息,而該信息在其網絡中不可用。它必須在連接到Internet的某些數據庫中搜索相同的內容。這樣的特殊請求將通過連接到互聯網的節點。可以開發IoT或Internet應用程序。重要的是,必須指定網絡的優先級。最高優先級是碎片跟蹤和共享相同信息。
三、重點項目進展
RNCP項目
2017年年末,NASA授予33萬美元用于支持開發一種基于區塊鏈的航天器系統,項目為期3年,這是NASA第一次朝著區塊鏈技術應用的方向邁進。這一被稱為“彈性網絡與計算范式”(RNCP)的新系統使用區塊鏈技術來幫助航天器自己“思考”,以避免與空間碎片相撞,它不需要人為干預。該資助項目的獲得者是阿克倫大學電子與計算機工程助理教授Jin Wei Kocsis博士。
在這之前,地球上的科學家向深空作業的無人航天器發送信息,以幫助他們避免與太空碎片碰撞。這需要很長時間,并且存在消息中斷的風險。區塊鏈技術可以為航天器增強空間通信和導航,避免在沒有任何人工輸入的情況下發生碰撞。該項目嘗試讓這個過程自動化。
分布式算法和存儲對于NASA來說并不是新事物,NASA長期以來一直在探索這些架構。RNCP利用以太坊區塊鏈技術開發用于深度空間探索的去中心化、安全和認知網絡及計算基礎架構,探索區塊鏈共識協議,以提高基礎架構的彈性。該項目是使用以太坊區塊鏈技術自動執行航天器操縱的一項舉措,主要方式之一是實施分散式架構,這種結構可以支持自動數據收集。使用智能合約,RNCP將幫助開發本質上可以自己思考的航天器。
該項目的三個基本研究目標是:
設計安全且分散的計算和數據分析基礎結構;
開發數據驅動的彈性和認知網絡管理體系結構;
模擬、測試和驗證彈性網絡和計算范例(RNCP)。
此外,有可能將這項工作整合到認知通信項目CubeSat Space任務中,以展示先進的認知網絡體系結構。
圖表:RNCP
資料來源:NASA
以太坊是一個分散的安全基礎架構,具有存儲和計算功能,以太坊合約實現了去中心化。這項技術通過完全安全、分散的方式記錄數字貨幣的交易,從而消除了對單個數據庫(例如銀行)的需求。以太坊不太可能用在實際的航天器中,但是以太坊可以幫助識別分布式存儲和計算系統的功能。人們可以想象在一組松散協作的航天器上的以太坊節點,并且可以想象在這樣的網絡中執行的以太坊合約。
該系統需要合并諸多來源的數據,并自動對其進行組合和過濾,以保持對威脅和響應的最新評估。這些評估都可以共享,整個系統可以保持對全局的了解。這種場景通常使用某種形式的共享內存來應對,而區塊鏈就充當了這樣的共享內存,其優點是完全分布式且健壯,不會受到節點掉線或通信問題的干擾。以太坊合約提供了分布式計算的額外優勢,即可以過濾和分析區塊鏈上的數據,這無疑是如何使用以太坊的本質。
密碼簽名也可能有用。區塊鏈上的數據已簽名并且無法篡改。加密簽名意味著網絡可以潛在地檢測和忽略入侵者和錯誤信號。在并非所有節點都是已知或受信任的情況下,分布式共識機制可能很有用。區塊鏈是一種分類賬,旨在確保可信任,而不依賴于特定節點的正確性或可信性。在無人監管的情況下在太空中使用多年,即使不信任某些網絡節點,也能夠信任數據可能很有價值。
以太坊的其他功能可能對該項目可能不重要。比如礦工激勵可能沒有意義,航天器的能源預算似乎無法負擔采礦成本。
該項目的總體目標是“自主”航天,即將盡可能多的感知和決策推向航天器,基于人工智能和模糊邏輯,讓航天器在快速響應的區塊鏈網絡上工作,大幅提升航天器的工作效率。
TruSat系統
2018年,區塊鏈公司ConsenSys收購了小行星采礦公司Planetary Resources。2019年10月,ConsenSys的子公司ConsenSys Space宣布了其第一個項目:利用業余觀察者和以太坊區塊鏈技術的基于應用程序的系統跟蹤衛星,即TruSat,這是一個基于區塊鏈的數據庫,將監測衛星的軌道位置。開源TruSat應用程序也在國際宇航大會上一起發布。
隨著航天產業的發展,在軌衛星的數量快速增長。在低地球軌道上的衛星數量預計將在未來十年中增加二十倍以上,避免衛星之間的碰撞對于空間可持續性至關重要。世界各地的衛星運營商和其他機構都在努力為可持續軌道運營尋找最佳實踐和標準。TruSat的主要設計目的就是為空間可持續性發展評估衛星的運行情況,但它可能會為解決更廣泛的空間交通管理挑戰提供新的解決方案。
TruSat旨在眾包和驗證有關衛星軌道位置的數據,從而使人們能夠自由訪問全球可信賴的信息。TruSat的開放式傳感器架構將接受任何個人或組織的衛星觀測數據,從具有雙筒望遠鏡和智能手機應用程序的普通衛星觀測器到大學的天文臺,并將來自地球周圍多個點的衛星觀測數據自動組合成軌道預測。TruSat的分散式自治體系結構旨在通過將其數據置于任何機構無法控制的范圍內來實現信任。
TruSat是由ConsenSys Space與安全世界基金會等機構共同發起的一項計劃,它旨在分析志愿者通過應用程序提交的裸眼衛星觀測結果,以提供有關數千顆衛星軌道的更準確信息。TruSat將從跟蹤數據中得出的關于這些空間物體的軌道信息免費提供給用戶,特別是相關研究人員。該項目旨在解決人們對當今可用的SSA數據(尤其是美國空軍)受到嚴格控制的擔憂。當數據由單個機構(如美國國防部)控制輸出時,對結果的信任與對該機構的信任聯系在一起,很難找到一個持續受所有人信任的機構。
此外,SSA數據被視為“黑匣子”,無法訪問基礎數據或導出位置的算法。而用戶通過TruSat軟件提交其衛星觀測數據,這些觀測數據以及從中得出衛星軌道的過程都是完全透明的。隨著時間的流逝,TruSat將根據觀察者及其過去的準確性跟蹤記錄,對觀察結果進行“信心評估”,以完善為每個物體計算出的軌道要素。
該公司認為,使用區塊鏈對于TruSat系統至關重要,以確保提交的數據不被篡改,尤其是對于像這樣的開放系統。區塊鏈技術最具體的用例是,當事各方無法就他們都信任的機構達成共識時。以太坊是TruSat系統的關鍵部分,用以保證系統的開放性、自治性。ConsenSys Space計劃將TruSat及其區塊鏈技術用于其他太空應用。
TruSat原型主要用于測試核心軌道計算功能,并且不包括計劃的功能以簡化進行和報告衛星觀測的過程。ConsenSys Space正在為Moonshot 3.0建立集體行動基礎架構,與此同時,太空硬件基礎架構也在迅速發展。
小結
SpaceX、OneWeb等公司正在發射覆蓋全球的衛星星座,在不久的將來,地球周圍的空間將被各種類型的人造衛星、碎片和載人飛船所占據。空間物體發生碰撞的可能越來越大,其中密集擁擠的空間中的碰撞可能引發碰撞的連鎖反應。為避免與OIS沖突,空間態勢感知(SSA)的需求不斷增長,而難度也越來越高。基于區塊鏈的去中心化SSA系統提供了更高的透明度,從而有助于建立信任,能夠實現自動化,具有充分的彈性,是SSA系統的重要發展方向之一。
主要參考資料
1.Swapnil Anil Surdi,Space Situational Awareness through Blockchain Technology,2020;
2.David Hyland-Wood,Blockchain Properties for Near-Planetary,Interplanetary,and Metaplanetary Space Domains,2020;
3.NASA’s Blockchain Research for Space Applications,medium.com;
4.Ethereum’s Blockchain Draws Attention from NASA,hackernoon.com;
5.Moonshot 3.0—Inside ConsenSys Space and TruSat,consensys.net;
6.ConsenSys Space Launches TruSat System,consensys.net;
7.TruSat White Paper,https://learn.trusat.org/docs/overview;
8.王寧,王煜,張志雄,區塊鏈技術航空應用與發展展望,2020;