随着空间态势感知（SSA）系统的不断升级，卫星等高价值空间资产可以得到持续的跟踪，并且越来越多的空间物体（OIS）逐渐被发现。但目前仍然很难跟踪直径小于10厘米的空间碎片，SSA系统在“通过自主发现而进行更新”方面存在局限性。集中式的解决方案（通过运营商之间的合作）由于存在突出的信任问题和成本问题而缺乏效率。作为一种去中心化的方案，区块链技术在多个领域已经得到有效的应用，在空间态势感知领域也日益表现出巨大的应用价值。
一、主要应用途径
区块链技术是一种分布式记账技术，是一种融合了加密技术、P2P技术、共识机制、分布式数据存储的新型应用模式。其本质是一个去中心化的数据库，由多方共同维护，使用加密技术保护传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖。
“标记化”是一种将实体资产数字化并存储在区块链数据库中的方法，是区块链技术在空间态势感知领域的主要应用途径。据埃及科学研究小组的Mohamed Torky博士介绍，“区块链技术可以为处理和操作空间资产提供分散和安全的技术，将其作为空间数字代币。卫星、轨道矢量、空间碎片、小行星、航天器、宇航员等空间资源可以基于区块链的数字代币形式进行数字处理。”在空间态势感知中，主要是对空间资产和空间资源的标记。
空间资产的标记化可能会改变太空资产的拥有和建造方式，据普华永道航天工业分析师Aravind Ravichandran的介绍，区块链可以改善航天领域的合作机制，“A国可以贡献任务成本的30%，并拥有30%的航天器，而B国可以贡献剩余的70%”。
空间资源的标记化包括在空间采矿的背景下的小行星和月球，随着美国重启“阿尔忒弥斯”计划（目标是在2024年让宇航员重返月球并于2028年前实现月球的常态化开发），空间资源开发已经受到各国重视。
二、典型技术分析
区块链和去中心化网络提供了独特的功能。有些公司正在尝试利用基于区块链的去中心网络来连接整个地球。像SpaceChain这样的公司正在开发将在太空中运行的开源区块链网络。
南加州大学的Swapnil Anil Surdi针对当前卫星和碎片跟踪系统的不足，基于区块链的思想，探索了一个自组织的分散式地面站和卫星网络。在这一网络中，可能的碰撞可以被更好地感知，而不是由地面的系统进行预测。一旦建立了这样的SSA系统，它将使许多空间操作变得更加容易，能够比当前的SSA系统更快地检测到冲突，比当前系统更快地传播信息。在一个由卫星、地面站组成的网络中，某些节点将执行更多任务，并有助于创建块。下面讨论其中的关键技术需求。
智能合约和去中心的自治组织（DAO）
跟踪和避免碎片是短暂的操作过程。用于轨道位置分配的DAO可以促进空间机构之间的平稳、协调运行。一艘太空飞船可以在某个时间预定通过某一条空间路径，而其他空间物体会回避。它们可以根据去中心网络中可用的数据选择可用路径。同样，特殊频率操作也可以这样进行预订。
GAS，货币和电能输送
在常规的区块链网络中，创建货币是为了促进不同的操作和交易。从空间网络的初步判断来看，很难制定激励措施。一旦对网络开始使用，对节点的性能和维护进行了充分探索，就可以确定交易成本和采矿奖励。GAS及其限制用于支付节点资源的使用费用。时间和计算能力决定了交易成本。
传统的区块链网络使用互联网作为骨干网络。因此，如果节点提供功率而不是交易成本，它将无法通过该网络传递能量。只需少量的交易成本就可以提供动力。太阳同步轨道上的卫星可以从太阳获得所需的所有动力。其余轨道在其轨道上某处有月食。在月食期间，电池用于为卫星供电。这些太阳同步轨道卫星可以通过波束成形为其他卫星供电。简而言之，具有大量功率的卫星可以通过将功率传输到目标节点来支付费用。对于这种情况，必须做更多的研究。
网络节点
区块链网络的实现有很多类型。对于当前应用，需要一种新型的网络设计。如果我们考虑已经存在于太空中的现有架构，则它们主要由遵循自己协议的卫星网络组成。有针对不同消费者需求推出的星座。这些群集中的每个都有自己的网络。为了利用这些网络，必须设计一个网络间协议。将节点分为以下类型：
全节点，矿工，广播者——Alpha节点
专用节点，路由器，感知卫星——Beta节点
末端用户节点，太空飞船，卫星，空间站——Gamma节点
Gamma节点将用于所有所需的目的。Beta和Gamma节点不必携带整个区块链或块集。Alpha和Beta节点（服务节点）之间将有特殊合约。根据节点上的通信可用性和Alpha节点的范围，将有数量有限的Alpha节点。Alpha节点将充当网络的骨干网。
为了更好地跟踪，将设计一种可以放在新卫星上的小型设备或跟踪器。卫星运营商可以随时将其关闭。这将使追踪卫星和识别卫星变得更加容易。这样的卫星或物体将是网络中的Gamma节点。
图表：网络节点韦恩图
资料来源：南加州大学
安全性、信任度和匿名性
对于网络，保护Alpha节点比其他节点具有更高的优先级。对常规区块链的攻击主要是由于涉及的货币或数据。这些原因不会在轨道碎片中显现出来。必须建立一种增加信任的机制。当新节点加入网络时，没有人参与，网络如何确定该节点是“好”还是“坏”？审核可由网络节点执行，这将为该节点创建可信度指标。可以使用报告来报告有关节点的问题。
网络架构
基于区块链的SSA系统的愿景与美国国防分析研究所的报告中描述的框架相匹配。
图表：网络架构
资料来源：南加州大学
网络节点将使用区块链协议以及一些其他协议在应用程序层上进行交互。区块链将参与数据共享，数据收集，监督和协调。它将提供用于“监督和协调”的数据产品。去中心网络将拥有一个Alpha节点的分散式无线骨干网。对于大规模的网络初始部署，需要此主干网来简化操作。开发人员将设计服务于网络的区块链协议。
网络协议
区块链网络需要某种网络架构，以促进节点之间的连接。对于太空中的区块链，没有这样的网络架构。它必须从头开始构建。有一些公司为这种架构提供了骨干，但它将是更加集中的解决方案。如果单个实体拥有网络的骨干网，则将存在一个中央故障点。必须设计一种新的网络协议，该协议可以在假设多个可用信道的情况下运行。与集中式网络不同，分散式网络中可能同时存在两个连接。这就像一个Ad-hoc无线网状网络。它与自组织网络的不同之处在于，拥有网络节点的实体不同。传统的Ad-hoc网络需要事先设置时间。对于这个基于空间的网络，应该有一些协议可以自动配置网络。随着节点的增加以及环境的变化，它必须适应。环境的变化可能是太阳耀斑，也可能是其他用户使用了网络应该使用的频率。如果网络的某个路径变得不可用，则它必须能够使用其他路径到达该节点。这些都是计算上的挑战，也是对已知问题的对策。需要指出网络协议要求进行更多的研究。一个重要的要求可能是它必须使用最小带宽。使用软件定义的无线电，可以以不同的频率发送和接收信号。如果需要，构建一个可以利用更多频率的协议是明智的。随着网络中密度的增加，单个节点将不必直接与远程节点进行通信。网络协议将必须包含各种密度的此类方案。
次要用例和优先级
飞船、卫星和空间站将使用区块链网络。由于包含特殊用途的β节点，因此网络可以是较小的网络。这些节点将允许连接到外部网络。例如，一艘太空船需要有关近期太阳耀斑的信息，而该信息在其网络中不可用。它必须在连接到Internet的某些数据库中搜索相同的内容。这样的特殊请求将通过连接到互联网的节点。可以开发IoT或Internet应用程序。重要的是，必须指定网络的优先级。最高优先级是碎片跟踪和共享相同信息。
三、重点项目进展
RNCP项目
2017年年末，NASA授予33万美元用于支持开发一种基于区块链的航天器系统，项目为期3年，这是NASA第一次朝着区块链技术应用的方向迈进。这一被称为“弹性网络与计算范式”（RNCP）的新系统使用区块链技术来帮助航天器自己“思考”，以避免与空间碎片相撞，它不需要人为干预。该资助项目的获得者是阿克伦大学电子与计算机工程助理教授Jin Wei Kocsis博士。
在这之前，地球上的科学家向深空作业的无人航天器发送信息，以帮助他们避免与太空碎片碰撞。这需要很长时间，并且存在消息中断的风险。区块链技术可以为航天器增强空间通信和导航，避免在没有任何人工输入的情况下发生碰撞。该项目尝试让这个过程自动化。
分布式算法和存储对于NASA来说并不是新事物，NASA长期以来一直在探索这些架构。RNCP利用以太坊区块链技术开发用于深度空间探索的去中心化、安全和认知网络及计算基础架构，探索区块链共识协议，以提高基础架构的弹性。该项目是使用以太坊区块链技术自动执行航天器操纵的一项举措，主要方式之一是实施分散式架构，这种结构可以支持自动数据收集。使用智能合约，RNCP将帮助开发本质上可以自己思考的航天器。
该项目的三个基本研究目标是：
设计安全且分散的计算和数据分析基础结构；
开发数据驱动的弹性和认知网络管理体系结构；
模拟、测试和验证弹性网络和计算范例（RNCP）。
此外，有可能将这项工作整合到认知通信项目CubeSat Space任务中，以展示先进的认知网络体系结构。
图表：RNCP
资料来源：NASA
以太坊是一个分散的安全基础架构，具有存储和计算功能，以太坊合约实现了去中心化。这项技术通过完全安全、分散的方式记录数字货币的交易，从而消除了对单个数据库（例如银行）的需求。以太坊不太可能用在实际的航天器中，但是以太坊可以帮助识别分布式存储和计算系统的功能。人们可以想象在一组松散协作的航天器上的以太坊节点，并且可以想象在这样的网络中执行的以太坊合约。
该系统需要合并诸多来源的数据，并自动对其进行组合和过滤，以保持对威胁和响应的最新评估。这些评估都可以共享，整个系统可以保持对全局的了解。这种场景通常使用某种形式的共享内存来应对，而区块链就充当了这样的共享内存，其优点是完全分布式且健壮，不会受到节点掉线或通信问题的干扰。以太坊合约提供了分布式计算的额外优势，即可以过滤和分析区块链上的数据，这无疑是如何使用以太坊的本质。
密码签名也可能有用。区块链上的数据已签名并且无法篡改。加密签名意味着网络可以潜在地检测和忽略入侵者和错误信号。在并非所有节点都是已知或受信任的情况下，分布式共识机制可能很有用。区块链是一种分类账，旨在确保可信任，而不依赖于特定节点的正确性或可信性。在无人监管的情况下在太空中使用多年，即使不信任某些网络节点，也能够信任数据可能很有价值。
以太坊的其他功能可能对该项目可能不重要。比如矿工激励可能没有意义，航天器的能源预算似乎无法负担采矿成本。
该项目的总体目标是“自主”航天，即将尽可能多的感知和决策推向航天器，基于人工智能和模糊逻辑，让航天器在快速响应的区块链网络上工作，大幅提升航天器的工作效率。
TruSat系统
2018年，区块链公司ConsenSys收购了小行星采矿公司Planetary Resources。2019年10月，ConsenSys的子公司ConsenSys Space宣布了其第一个项目：利用业余观察者和以太坊区块链技术的基于应用程序的系统跟踪卫星，即TruSat，这是一个基于区块链的数据库，将监测卫星的轨道位置。开源TruSat应用程序也在国际宇航大会上一起发布。
随着航天产业的发展，在轨卫星的数量快速增长。在低地球轨道上的卫星数量预计将在未来十年中增加二十倍以上，避免卫星之间的碰撞对于空间可持续性至关重要。世界各地的卫星运营商和其他机构都在努力为可持续轨道运营寻找最佳实践和标准。TruSat的主要设计目的就是为空间可持续性发展评估卫星的运行情况，但它可能会为解决更广泛的空间交通管理挑战提供新的解决方案。
TruSat旨在众包和验证有关卫星轨道位置的数据，从而使人们能够自由访问全球可信赖的信息。TruSat的开放式传感器架构将接受任何个人或组织的卫星观测数据，从具有双筒望远镜和智能手机应用程序的普通卫星观测器到大学的天文台，并将来自地球周围多个点的卫星观测数据自动组合成轨道预测。TruSat的分散式自治体系结构旨在通过将其数据置于任何机构无法控制的范围内来实现信任。
TruSat是由ConsenSys Space与安全世界基金会等机构共同发起的一项计划，它旨在分析志愿者通过应用程序提交的裸眼卫星观测结果，以提供有关数千颗卫星轨道的更准确信息。TruSat将从跟踪数据中得出的关于这些空间物体的轨道信息免费提供给用户，特别是相关研究人员。该项目旨在解决人们对当今可用的SSA数据（尤其是美国空军）受到严格控制的担忧。当数据由单个机构（如美国国防部）控制输出时，对结果的信任与对该机构的信任联系在一起，很难找到一个持续受所有人信任的机构。
此外，SSA数据被视为“黑匣子”，无法访问基础数据或导出位置的算法。而用户通过TruSat软件提交其卫星观测数据，这些观测数据以及从中得出卫星轨道的过程都是完全透明的。随着时间的流逝，TruSat将根据观察者及其过去的准确性跟踪记录，对观察结果进行“信心评估”，以完善为每个物体计算出的轨道要素。
该公司认为，使用区块链对于TruSat系统至关重要，以确保提交的数据不被篡改，尤其是对于像这样的开放系统。区块链技术最具体的用例是，当事各方无法就他们都信任的机构达成共识时。以太坊是TruSat系统的关键部分，用以保证系统的开放性、自治性。ConsenSys Space计划将TruSat及其区块链技术用于其他太空应用。
TruSat原型主要用于测试核心轨道计算功能，并且不包括计划的功能以简化进行和报告卫星观测的过程。ConsenSys Space正在为Moonshot 3.0建立集体行动基础架构，与此同时，太空硬件基础架构也在迅速发展。
小结
SpaceX、OneWeb等公司正在发射覆盖全球的卫星星座，在不久的将来，地球周围的空间将被各种类型的人造卫星、碎片和载人飞船所占据。空间物体发生碰撞的可能越来越大，其中密集拥挤的空间中的碰撞可能引发碰撞的连锁反应。为避免与OIS冲突，空间态势感知（SSA）的需求不断增长，而难度也越来越高。基于区块链的去中心化SSA系统提供了更高的透明度，从而有助于建立信任，能够实现自动化，具有充分的弹性，是SSA系统的重要发展方向之一。
主要参考资料
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.王宁,王煜,张志雄,区块链技术航空应用与发展展望,2020;
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