区块链如何保护宇航员在太空漫游时不被宇宙碎片撞到？

新的宇宙纪元已经到来，我们见证着新兴事物的涌现和太空任务先进的技术发展。这种科技进步大爆发对太空研究，旅行和探索达到里程碑阶段的进度和效率有着深层的影响。

政府和国际空间站与私人公司和研究机构一直保持合作。由于高昂的费用和技术复杂性，太空领域的发展是多方合作且涉及多方利益。我了解第一手信息，是因为2017年我在阿斯特拉火箭公司担任全球沟通经理一职，我的工作内容重点是发展太空运输中的先进等离子电力推进技术。

从小我就对宇宙深深地着迷。太空预示着冒险，它给我们展现了文明社会发展里需要解决的一些复杂的挑战。当前全球太空生态系统正在逐步发展，太空中网络安全的传统模式是保护国家安全相关敏感信息和加强中心化计算服务器和基于云端的架构。随着基于对等网络（P2P）的基础设施的广泛应用，人们开始寻求避免造成失误方法。最近我在研究政府和私人企业的太空合作在区块链上的发展。

六周的时间，我和来自全球的区块链爱好者，学生和专家一起参与了首届区块链学员班，并一起学习了企业区块链基础课程。整个课程先后由区块链中心的金融科技学校和Gregory LaBlanc教授组织。

在我的调查过程中，我了解到区块链作为一项激动人心的新兴太空技术一点也不落后于其它技术。区块链是去中心化的分类记账技术，这项技术可提供所有权记录，并将数据传输到单个共享的真实来源，而不是集中式总账。

准确地来说，数据区块使用具有加密算法功能的哈希在链上有序地排列，这样使得数据得以被追踪和提供交易证明。如果链上的数据被篡改，计算机节点可以很快检测到数据的不一致并拒绝交易达到网络共识。

国家和私人研究机构正在一起探索太空领域的区块链架构，特别是人造卫星。太空链（SpaceChain）区块链公司提出通过众筹开发开源元卫星。区块链公司Blockchain建议运用人造卫星来发布关于比特币区块链的信息，从而减少比特币对互联网的依赖性。ConsensySpace发行了TruSat，一个基于区块链的数据库，功能是监测人造卫星的位置变化。

问题背景

关于区块链技术的应用有一个比较特殊的实例就是太空碎片。人造物体的爆炸，相撞或在轨道上破裂都可以导致太空碎片的出现。根据体积和大小的情况，太空中高速运转的碎片可以导致巨大的损害。太空碎片也可能让人造卫星脱离轨道，对国际空间站ISS这些基础设施造成影响，也可能对在太空行走的宇航员造成伤害。

截止至2020年二月，欧洲航天局就报道了有34,000块直径大于10厘米的物体在绕地球运行，和超过500次解体、爆炸和碰撞在近地轨道发生。近地轨道距离地面（一般是以美国航空局NASA所在的位置为准）大约2000千米。近地轨道有大量的碎片聚集，重力也在地球重力范围内。

地球同步轨道是在赤道以上离地球大约35,786千米的位置。不断增加的通讯和天气人造卫星让同步轨道越受关注，因为地球同步轨道跟地球自转的方向和周期一致。地球同步轨道上的太空碎片造成的危害是无法预估的。只有一部分成功发射了的人造卫星目前仍然在太空保持正常运行。为了加快网络速度，越来越多的人造卫星被发射到太空。私人机构计划发射上万的卫星群，其中就包括SpaceX公司的Startlink网络卫星，亚马逊的的Project Kuiper卫星和OneWeb卫星。

问题是我们如何用新兴的技术管理聚集着人造卫星和太空碎片的地球轨道上的数据。从长期看，这是很难实施的。轨道上密集的物体会造成毁灭性的后果，特别重要的一点就是太空中的碎片是一种聚集的风险。大多研究机构和相关利益的各方协作又互相独立管理太空碎片，包括但不仅限于美国航天局NASA，美国国防部太空碎片计划，欧洲航天局和机构太空碎片协调委员会（IADC）等。

实例1：NASA和研究员的研究

NASA将2018年的三年早期职业生涯教师奖项授予了俄亥俄州阿克伦大学教授。据新闻报道，这个奖项授予NASA的格伦研究中心基金，重点关注太空区块链项目的研究。

研究计划发展基于以太坊的架构，并应用于自主航天器上的认知计算、物联网和机器学习等先进技术。自主航天器能够监测，识别和躲避太空碎片，也能自动在外太空环境下执行任务。外太空的范围超过了近地轨道和日月间位置。

作为政府组织，NASA与公众分享了整个过程的发展细节和目前执行任务的状态。关于整个研究的有趣最新内容将在一些技术报刊上可以阅读到。Wei Kocsis 和其他研究员，包括NASA的全体员工在刊登的技术论文上也对此做了解释。

“发展有效的以数据驱动的方法仍然是目前的挑战，因为需要大量的数据和足够的计算能力来处理数据。为了应对挑战，需要一个去中心化、安全和保护隐私的编程范型在众多分散和不可信且可能限制计算能力和计算智能的计算节点中实现异步协同计算过程。这个编程范型是为了开发区块链、去中心化学习、同态加密和软件定义的网络技术而设计的。”

Wei Kocsis目前是普度大学的教授，在2019年Converge2Xcelerate会议上他分享了一些值得讨论的见解。Wei Kocsis强调了外太空计算能力和基于中心化的云端系统的机器智能的局限性。距离、碎片或辐射干扰对航天器是毁灭性的，会造成数据、通讯和判断的延迟。

“如果在外太空有紧急情况发生，将会没有足够的时间能够立即反映问题，也可能造成紧急情况发生。”Wei Kocsis解释道。

关于紧急情况的观点在NASA的文件中得到了证实。文件列举了太空碎片对国际空间站宇航员的影响，其中NASA的工程学院和工程重要部门APPLE写道：

“有时候关于总体的评估和策略的执行没有足够的预警。举例子，在2019年，国际空间站就经历碰撞危险的红色警告，意味着发生碰撞的风险大于万分之一。因为没有充足的时间去执行躲避碰撞的命令，如果国际空间站被碎片击中，宇航员将进入Suyuz航天器躲避危险，这样宇航员才有生存的可能。”

Wei Kocsis在会议讨论到：“有限的燃料和基于云端和中心化计算架构的存储记忆是在外太空维持太空任务的关键挑战。多方组织、机构和相关利益各方在信任问题上也一直存在挑战。”

“太空的航天器不止有NASA所属的还有其他国家的。这也意味着会有恶意竞争的存在，我的意思是值得相信的组织会比较少。”

从这个意义上讲，信任问题仍然是需要解决的问题。复杂的去中心化区块链分类总账可以通过其它级别的应用程序解决问题，比如智能合约。

智能合约是电子交易，是区块链网络比如以太坊上的程序化执行。如果满足必需条件，交易过程的执行和实施就得到保障。Wei Kocsis和研究员Praveen Fernsndo在智能合约上扩展了他们的工作。

“在我们计划的网络方案中，我们通过以太坊的智能合约确保自动化和安全性。”

双方研究员都声称提交了关于这些技术的临时专利申请。区块链网络上有共同数据来源，因此多方建立的内部激励将会提前运行这些自动执行的智能合约。这些可计算的合约将根据具体目的被程序化。当前，还没有单一的可信数据来源。关于独立人造卫星和太空碎片的混杂数据反映了繁琐的技术和政策问题。

作为我研究的一部分，我从合约法律角度看智能合约中令人惊叹和深层次的细节问题。和ExMachina合约中，Kevin werbach和Nicolas Cornell教授解释说：

“智能合约和其它电子协议的关键区别就是执行问题。一旦计算机觉得满足必要条件，就会自动执行以数据为导向或可计算的合约。从电子化发展到以数据和可计算合约为导向，这体现了机器自动化的趋势。当计算机能够快速代替人类在谈判、形成、执行和实施合约的功能，合约就能在机器的一致允许下快速运行。软件密码执行前的步骤目前得到简化，在一些情况下智能合约只是转变问题而不是消除了问题。即使智能合约按照设计般执行，结果也可能达不到标准，在合作多方看来也是如此。或者考虑到经济效率也达不到标准，因为这已经被固定化了。举例子，不执行可能是最理想的结果，而关于效率的问题一直在改进。”

机器自动化的增加确实能够管理和解决太空碎片的问题。太空碎片的管理可能是自动执行而不是机构和跨网络之间起的作用。然而，从合约法律角度看未来的情景应用，可能会导致很多复杂问题的出现。举例子，如何处理编码中的错误。

Werbach 和Cornell写道：“即使区块链的共识运行系统是可靠的，智能合约应用程序的运行也可能……”

管理自动化机器中根据不同目的编程的具有强制性的智能合约，其涉及的用途也会引起一些问题。过度依赖的自动化航天器也可能会失去控制。

2019年Converge2Xcelerate会议上，Wei Kocsis讲述了原型硬件的发展。

原型硬件使用基于区块链的协议发展人造卫星。在NASA研究工作检测阶段使用工作量证明。工作量证明跟共识算法协议的类型有关，都必须达到协调交易的节点。Wei Korcsis提示在得到允许的区块链上的协议授权证明上，其共识上需要得到授权的人批准交易生效，交易也可以重新被考虑。被授权的公链和私链上有重要的区别。公链和无权限的区块链是不同的，比如比特币的和以太坊的，公链和授权的区块链是使用公共数据验证。只有已验证的用户可以编写和控制区块链上的数据。公链和授权的区块链的不同在于它们在识别管理认证用户的工具等级不同，它们可以轮流阅读和编写数据。

实例2：Blockchain Army公司

咨询公司——Blockchain Army的总部位于伊斯坦布尔和鹿特丹，其重点研究是运用区块链技术解决太空碎片问题。在他们的官网上，Blockchain Army计划采用基于区块链的碎片单独管理平台。在平台上，机构以公开透明的方式将碎片进行分类列出。太空碎片在区块链架构上的数字化将会减少协调数据和利益相关者之间沟通所需的时间。访问太空碎片的数据将会受已授权公链的控制。这个架构将保护已通过验证的用户信息中有关国家利益的内容，也保持公共数据公开，确保能够实时追踪。

Blockchain Army像Wei Kocsis和其它研究员一样，都计划使用智能合约。这些智能合约将会自动化执行并通知合作方运行过程的风险。根据评估，移除掉所有太空碎片花费高达27亿美元。这个数字和其它研究这个领域市场的预估花费相差不大。

未来已来

太空碎片的区块链架构的使用是以新方式解决老问题。行业中的专家几十年来一直在提醒我们优先考虑这个方法的必需性。专家的研究和解决方案和咨询公司都对此持有相同的两条主要原则。

第一条原则跟具有自我强制的智能合约有关，这是为了减少延迟和摩擦。把多方的信任问题转变由基于技术堆栈的自动架构来解决。

第二条原则和各方利益相关者的大数据的完整和透明度有关。在区块链公司里，太空碎片的数据完善越来越得到重视。由Aratos Group、区块链2050 BV、LTO网络和英国SpaceChain公司组成的太空垃圾管理行动最近计划运用区块链技术识别和管理碎片。

还有其它重要的研究和包括NASA的人类航空飞行自动化航天器的探索和2019年NASA太空交通管理的区块链白皮书。欧洲航天局的区块链白皮书则采取保守态度并寻找地球观测的方法。

关键要点

协调大量空间碎片的数据是迫在眉睫的事情。一些区块链技术基础属性对上面提到的用例是适用的。区块链技术的航空公司和机构的技术堆栈让网络替代变得可行。区块链堆栈的多样性由平台层上的比如共识、算法、协议、规则和加密，应用层的智能合约，还有不同等级节点共同组成。用户（验证者）在太空任务、探索、碎片的验证和移除上可能是有所贡献的。

随着区块链技术不断成熟，公共和私立的联合组织将会更加关注太空区块链的发展情况，这将不断带领我们走向未来。Wei Korcsis在2019年Conv2x 会议上已经给了我们很多具有价值的建议。

“在我看来，计算技术的未来将会是一种合作的关系，人们需要对他们的数据保有所有权，让他们的数据和计算智能变得有价值。计算技术的未来不仅仅是NASA的外太空研究。”