基于联盟链的虚拟星座任务管理系统

1.本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于联盟链的虚拟星座任务管理系统。


背景技术：

2.虚拟星座是指面向特定的任务需求，由隶属于不同组织的卫星共同组成的一个相互配合、功能互补、数据共享的分布式协同对地观测系统。区别于实体星座，虚拟星座是面向特定的需求而组建的动态资源联盟，通过各卫星管理机构间建立的合作伙伴关系并在先进信息技术的支撑下实现多星协同工作，以达到合作观测和满足复杂任务的目的。
3.合作信任机制是虚拟星座任务管理中的核心难题之一。在传统的卫星任务规划的研究和应用中，卫星资源一般是隶属于同一管理主体，能够做到集中管理和统筹调度。然而虚拟星座是一种开放式动态资源联盟，没有唯一权威的中心管控节点，卫星资源分布于不同的管理主体，具有不同的观测能力，资源间的合作关系存在大量的不确定性。因此，如何建立虚拟星座中卫星资源之间的合作信任机制，并在此基础上构建任务管理方法成为了新的重要研究挑战。
4.从上述描述可知，现有的虚拟星座中存在各参与方间的合作信任问题，导致现有虚拟星座协同能力差。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于联盟链的虚拟星座任务管理系统，建立虚拟星座中卫星资源之间的合作信任机制，解决了现有虚拟星座协同能力差的技术问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
9.本发明提供一种基于联盟链的虚拟星座任务管理系统，将各卫星管理部门连接至同一联盟链中，该虚拟星座任务管理系统包括：
10.应用层，用于实现虚拟星座任务管理系统的核心业务功能，所述核心业务功能包括：订单受理、资源匹配、卫星调度和地面站调度。
11.合约层，用于封装脚本代码和算法，当达到触发条件时智能合约将自动执行，实现系统中相关流程的自动化；
12.共识层，用于通过共识算法实现数据的写入与同步，在系统内各节点间达成对区块可信度的分布式共识；
13.网络层，用于通过点对点技术实现分布式网络机制，网络层中的节点实时监听网络中传播的交易，当发现某一节点的广播数据后，验证交易的合法性和区块的有效性，若验证通过则对交易进行存储并转发至网络中其他相邻节点；
14.数据层，用于存储任务数据、交易数据和用户身份数据。
15.优选的，所述合约层中的合约包括：
16.用于处理通道配置的更改及验证交易信息的系统合约；
17.用于查询系统中各类数据的查询合约；
18.用于生成公私钥对为系统中节点颁发身份并授予节点不同权限的注册合约；
19.用于根据节点上传的数据生成数据记录的记录合约。
20.优选的，所述任务数据包括：
21.各卫星资源的能力数据、订单数据以及虚拟星座执行任务过程中产生的实时观测数据。
22.优选的，通过非对称加密算法和哈希函数对存储任务数据、交易数据和用户身份数据进行包装，并由联盟链中其他节点验证通过后写入区块。
23.优选的，所述虚拟星座任务管理系统的任务管理流程主要包括：
24.根据应用场景，预先在联盟链各节点中安装好所要使用的智能合约；
25.当任务到达时，用户节点调用记录合约将任务需求记录在联盟链中；
26.用户节点调用智能合约生成观测方案；
27.将观测方案在全网节点中广播以达成共识；
28.用户节点上传并在系统中记录观测结果。
29.优选的，所述应用场景包括海洋移动目标搜索，该应用场景下的智能合约包括：
30.任务区域离散化合约，用于基于待搜索的海面目标的移动速度，对任务区域进行网格划分处理；
31.多星协同搜索图更新合约，用于为每个网格赋予一个目标在该网格中存在的概率，搜索过程中根据观测信息对搜索图进行更新；
32.卫星观测条带决策合约，用于根据搜索图中目标概率分布选观测收益最大的观测条带进行观测。
33.优选的，所述虚拟星座任务管理系统在海洋移动目标搜索上的任务管理流程包括：
34.s1、当任务到达时，用户节点调用记录合约将任务需求记录在联盟链中；
35.s2、用户节点调用查询合约查询各资源可用性数据；
36.s3、用户节点调用任务区域离散化合约和多星协同搜索图更新合约将任务区域进行网格化处理并为离散网格赋予目标存在概率来表示网格中目标存在的可能性概率分布信息；
37.s4、用户节点调用卫星观测条带决策合约以生成观测方案；
38.s6、用户节点将观测方案在全网节点中广播以达成共识；
39.s7、用户节点上传并记录成像卫星根据达成共识的观测方案进行任务观测的观测结果。
40.优选的，所述虚拟星座任务管理系统在海洋移动目标搜索上的任务管理流程还包括
41.s8、联盟链中节点根据本次过境的观测结果，再次调用多星协同搜索图更新合约和卫星观测条带决策合约以更新搜索图、确定下次观测计划并上传至联盟链中；
42.s8、重复s1～s7，直至搜索任务结束。
43.(三)有益效果
44.本发明提供了一种基于联盟链的虚拟星座任务管理系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：
45.本发明的虚拟星座任务管理系统，将各卫星管理部门连接至同一联盟链中，建立起跨组织的卫星资源间的合作信任，该系统包括：应用层、合约层、共识层、网络层和数据层。本发明基于联盟链的虚拟星座任务管理架构，利用区块链去中心化、公开透明、难以篡改、可靠加密的特点，构建安全、可信、透明的虚拟星座合作信任模型，保障了数据的可靠性，从而实现不同机构间的合作信任，提升虚拟星座的协同能力，从而达到充分利用在轨卫星资源、提高任务管理效率的目的。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为本发明实施例一种基于联盟链的虚拟星座任务管理系统的框图；
48.图2本发明实施例的虚拟星座任务管理系统在海洋移动目标搜索上的任务管理流程示意图。
具体实施方式
49.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.本技术实施例通过提供一种基于联盟链的虚拟星座任务管理系统，解决了现有虚拟星座协同能力差的技术问题，实现不同机构各资源节点间的合作信任，提升虚拟星座的协同能力，从而达到充分利用在轨卫星资源、提高任务管理效率的目的。
51.本技术实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
52.虚拟星座作为多星协同应用的新方向，其相应的任务管理技术研究还不成熟，大多集中在虚拟星座的能力分析、组成构想和具体应用等方面，而任务管理方面的研究较少。尤其在组织间存在相互博弈甚至不信任关系时，如何建立合作信任模型，保障数据的可靠性，实现分布式异构资源的高效协作，制约着虚拟星座的进一步发展和应用。为此，本发明实施例基于联盟链的虚拟星座任务管理架构，利用区块链去中心化、公开透明、难以篡改、可靠加密的特点，构建安全、可信、透明的虚拟星座合作信任模型，从而实现不同机构各资源节点间的合作信任，提升虚拟星座的协同能力，从而达到充分利用在轨卫星资源、提高任务管理效率的目的。
53.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
54.本发明实施例提供一种基于联盟链的虚拟星座任务管理系统，将各卫星管理部门连接至同一联盟链中，建立起跨组织的卫星资源间的合作信任，如图1所示，该虚拟星座任务管理系统包括：应用层、合约层、共识层、网络层和数据层。
55.其中，
56.应用层用于实现虚拟星座任务管理系统的核心业务功能，所述核心业务功能包括：订单受理、资源匹配、卫星调度和地面站调度。
57.合约层用于封装脚本代码和算法，当达到触发条件时智能合约将自动执行，实现系统中相关流程的自动化；
58.共识层通过共识算法实现数据的写入与同步，在系统内各节点间达成对区块可信度的分布式共识；
59.网络层通过点对点技术实现分布式网络机制，网络层中的节点实时监听网络中传播的交易，当发现某一节点的广播数据后，验证交易的合法性和区块的有效性，若验证通过则对交易进行存储并转发至网络中其他相邻节点；
60.数据层用于存储任务数据、交易数据和用户身份数据。
61.本发明实施例基于联盟链的虚拟星座任务管理架构，利用区块链去中心化、公开透明、难以篡改、可靠加密的特点，构建安全、可信、透明的虚拟星座合作信任模型，保障了数据的可靠性，从而实现不同机构间的合作信任，提升虚拟星座的协同能力，从而达到充分利用在轨卫星资源、提高任务管理效率的目的。
62.下面结合虚拟星座任务管理场景对系统中的各层进行详细说明：
63.需要说明的是，在本发明实施例的系统中，联盟链中的用户、卫星管控部门、用户节点三者相等，为了方便描述，在不同的场景中采用了不同的表达方式。
64.上述应用层实现任务管理系统的核心业务能力，如订单受理、资源匹配、卫星调度、地面站调度等。
65.上述合约层中封装任务管理架构中的各类应用的脚本代码和算法，当达到触发条件时合约将自动执行，从而实现虚拟星座的任务管理、提高系统管理效率和智能化水平。
66.合约层中的合约包括：
67.系统合约：p2p平台正常运行的基础，处理通道配置的更改并验证交易信息，包括检查背书策略和交易数据。
68.注册合约：通过生成公私钥对为系统中节点颁发身份，并授予他们不同权限。联盟链中每个节点都必须获得系统的授权后才可以加入联盟链网络。
69.查询合约：查询系统中相关数据，如历史任务数据、资源可用性数据等。
70.记录合约：处理节点间的交易计划，根据共识机制广播和更新联盟链，在任务执行阶段，根据节点上传的数据生成相关数据记录在联盟链中。
71.上述共识层通过共识算法来实现数据的写入与同步，从而在系统内各节点间达成对区块可信度的分布式共识。本发明实施例中基于pbft共识算法，系统运行过程中，由网络中的主节点来完成新区块的产生、交易信息广播等工作。
72.上述网络层通过p2p技术来实现分布式网络机制，所有网络节点都会实时监听网络中传播的交易，当发现某一节点的广播数据后，会验证交易的合法性和区块的有效性，若验证通过则对交易进行存储并转发至网络中其他相邻节点。
73.上述数据层用于存储任务数据和交易数据，任务数据主要包括各卫星资源的能力数据、订单数据以及虚拟星座执行任务过程中产生的实时观测数据，交易数据则是指任务执行过程中伴随的交易数据。通过非对称加密算法和哈希函数对数据进行包装，并由网络中其他节点验证通过后写入区块。
74.该基于联盟链的虚拟星座任务管理系统的任务管理流程主要包括：
75.首先，根据应用场景，预先在联盟链各节点中安装好所要使用的智能合约。当任务到达时，用户节点调用记录合约将任务需求记录在联盟链中；用户节点调用智能合约生成观测方案；将观测方案在全网节点中广播以达成共识；观测卫星根据达成共识的观测方案进行任务观测，用户将观测结果上传至联盟链中并调用记录合约记录任务观测结果。
76.该基于联盟链的虚拟星座任务管理系统可在多种卫星观测任务场景中加以应用，以下以海洋移动目标搜索为例，进行详细说明。
77.根据海洋移动目标搜索应用场景，预先在联盟链各节点中安装好所要使用的智能合约，具体包括：
78.任务区域离散化合约：基于待搜索的海面目标的移动速度，对任务区域进行网格划分处理。
79.多星协同搜索图更新合约：为每个网格赋予一个目标在该网格中存在的概率，搜索过程中根据观测信息对搜索图进行更新。
80.卫星观测条带决策合约：根据搜索图中目标概率分布选观测收益最大的观测条带进行观测。
81.如图2所示，该系统在海洋移动目标搜索上的任务管理流程如下：
82.s1、当任务到达时，用户节点调用记录合约将任务需求记录在联盟链中；
83.s2、用户节点调用查询合约查询各资源可用性数据；
84.s3、用户节点调用任务区域离散化合约和多星协同搜索图更新合约将任务区域进行网格化处理并为离散网格赋予目标存在概率来表示网格中目标存在的可能性概率分布信息；
85.s4、用户节点调用卫星观测条带决策合约以生成观测方案；
86.s6、用户节点将方案在全网节点中广播以达成共识；
87.s7、用户节点上传并记录根据达成共识的观测方案进行任务观测的观测结果；
88.s8、网络中节点根据本次过境的观测结果，再次调用多星协同搜索图更新合约和卫星观测条带决策合约以更新搜索图、确定下次观测计划并上传至链中；
89.s8、重复s1～s7，直至搜索任务结束。
90.综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
91.1、本发明实施例基于联盟链的虚拟星座任务管理架构，利用区块链去中心化、公开透明、难以篡改、可靠加密的特点，构建安全、可信、透明的虚拟星座合作信任模型，保障了数据的可靠性，从而实现不同机构间的合作信任，提升虚拟星座的协同能力，从而达到充分利用在轨卫星资源、提高任务管理效率的目的。
92.2、本发明实施例通过智能合约的部署，可以实现卫星观测应用中相关流程的自动化，例如当观测任务到达时，可以基于预设好的智能合约自动完成任务分配与处理操作的自动化，从而快速生成观测方案，提高虚拟星座任务管理效率。
93.3、联盟链中只有授权的节点才可以加入网络，并且系统管理员可以根据实际情况为不同用户节点授予不同的数据访问权限，极大的保障了系统中各参与方的信息利益。
94.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
95.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。