区块链的无人机集群控制应用研究

秦望龙　钱海力　刘冠邦

摘  要：区块链具有信息分布存储、数据安全保密、数据溯源追溯等优点，在军事领域有着广阔的应用前景。文章对区块链的基本概念、关键技术进行了介绍，接着重点分析了区块链技术在无人机集群控制方面的应用，对我军信息化建设具有一定参考意义。

关键词：区块链;数据安全保密;无人机集群;信息化建设

中图分类号：E11-39 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）21-0181-02

Abstract： Blockchain is a kind of distributed ledger technology， which has the basic characteristics of decentralization， data security and data traceability. The application of Blockchain technology has broad prospects in the military field. The concept and key technologies of blockchain are firstly discussed， and the applications in UAV cluster control is then studied， in the hope that this technology can be a significant reference for the development of informatization of military applications in our country.

Keywords： Blockchain; data security; UAV cluster; informatization

引言

区块链最初由中本聪在论文《Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System》中提出。在文中中本聪为了改变传统的依赖第三方机构的电子货币交易模式，基于对等（Peer to Peer， P2P）网络传输、非对称加密、时间戳等技术创建了比特币技术，这也标志着区块链1.0技术的诞生。在随后的几年中，区块链技术经历了基于智能合约的可编程区块链技术和目前基于商用分布式应用系统（Enterprise Operation System，EOS）的可扩展区块链技术的发展。随着区块链技术的不断发展和完善，其应用从数字货币领域不断推广到公正审计、金融交易、医疗教育、供应链管理等领域[1]。

近年来随着比特币、以太坊等数字货币的发展，区块链技术得到越来越多学者的关注和研究。Yang等人[2]对基于区块链的网络服务架构特点、挑战和发展趋势进行了总结，Ali等人[3]对区块链在物联网方面的应用研究进展、趋势进行了总结，徐宏伟对区块链在公共服务平台的应用开展了研究[4]。

在国防和军事领域，美国Maxwell空军基地的Neil B. Barnas少校对区块链的国防应用前景进行了研究[5]，廉蔺等人对区块链在情报绩效激励、武器装备管理方面的潜在军事价值进行了探讨[6]。

无人机集群控制是当前的研究热点之一，如何对处于电磁干扰环境中的参战无人机集群进行信息安全保密防护，阻止外界的信息欺骗和干扰是当前的一大难点。本文基于区块链技术构建了无人机集群情报侦察链、集群控制链和武器打击链，实现了无人机集群的信息安全防护。此外基于区块链智能合约讨论了无人机集群的群体智能涌现，对我军信息化建设有一定参考意义。

1 區块链概述

区块链是一种由多方共同维护，使用密码学技术保证访问和传输安全，能够实现多方数据一致存储、难以篡改的记账技术，也称为分布式账本技术。与传统的分布式数据库相比，区块链有如下几个优势：一是由传统的复式记账模式转换为“全网共享”的分布式账本模式，参与记账的各方之间通过同步协调机制，保证数据的防篡改和一致性，规避了复杂的多方对账过程。二是账本操作从“增删改查”变为仅支持“增查”，使得数据难以篡改，提高了数据信息的可信度。三是账本维护模式由传统的单方维护模式变成多方共同维护，数据的写入和同步需要经过多方验证并形成共识。四是引入智能合约，基于事先约定的规则独立执行协同，实现了信息流与资金流的整合。

2 区块链关键技术

区块链是集成了多种现有技术进行的组合式创新，关键技术主要包括：

2.1点对点（P2P）通讯技术

区别于传统的“客户端-服务器”模型，P2P通讯技术是一种在平等的同级节点之间传递信息的互联网技术。

2.2 分布式账本技术

区块链中交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，每一个节点记录的是完整的账目，它们既可以参与监督交易的合法性，也可以共同为交易作证。

2.3 非对称加密和授权技术

区块链用户采用两个秘钥（公钥和私钥）来进行加密和解密。公钥和私钥是一对，用公钥对数据进行加密，用对应的私钥来解密。如果使用私钥进行数据的签名，需公钥来验签。

2.4 共识机制

区块链中所有记账节点之间按照共识认定记录的有效性。此外共识机制也是数据记录防篡改的手段。当前学者已经提出了多种区块链共识机制，分别适用于不同的应用场景，可以根据应用效率和安全性需求进行合理选择。

2.5 智能合约

智能合约基于可信的不可篡改的数据，自动化的执行一些预先定义好的规则和条款。以保险为例，如果系统中保险客户的信息真实可信，可设置智能合约规则实现标准化保险产品的自动化理赔。

3 区块链的无人机集群应用

本文基于区块链技术构建了分布式无人机集群的信息安全防护体系（如图1）。在无人机集群中，每个无人机节点类似于区块链系统中的用户，拥有自己的用户身份和数字签名。无人机集群内部维护情报侦察链、集群控制链和武器打击链等多条区块链，多链之间通过跨链技术进行信息传递交互。在情报侦察阶段，无人机集群侦察节点间以对等网络通信方式进行数据通信，将各自传感器侦察到的局部情报信息进行全网广播，经过验证的所有局部情报信息经记账节点打包写入情报侦察链中并分发至全网节点，形成全局共用作战图。在发现目标后，无人机集群各节点在事先注入的智能合约规则调度下，根据实时的共用作战图进行集群智能决策，合理分配无人机节点执行目标识别和跟踪任务，形成一致的打击行动方案并记入集群控制链。在武器打击阶段，无人机集群中执行打击任务的无人机从情报侦察链中获得信息支撑，在智能合约的规则驱动下选择合适的时机和位置进行武器发射和打击。由于采用了区块链技术，无人机集群的情报侦察链、集群控制链和武器打击链的信息需要参与节点共同验证才能生效，杜绝了外部虚假信息的介入，提高了无人机集群系统的安全性。此外，P2P组网的通信方式契合无人机集群的分布式架构，集群中的个别无人机损毁不会影响到无人机集群的整体任务的实施。

由于在无人机集群放飞前的任务规划阶段注入了区块链智能合约，无人机集群能够按照事先规划的任务航线进行集群航线飞行，并能在智能合约的规则驱动下执行队形变换、机动飞行、威胁规避、任务分配、目标打击等任务。为了驱动无人机集群的群体智能涌现，文中将智能合约分为群体合约规则和单体合约规则两部分。群体合约规则用于定义集群整体规则，如集群长机定义、编队选择、共用作战图生成、任务节点选择等。单体合约规则用于定义个体无人机的规则，如平台飞行控制、机动规则、保底自毁规则等。无人机集群在基于区块链技术的群体合约规则和单体合约规则的共同驱动下完成复杂的作战任务。

4 结束语

区块链技术的发展将在一定程度上改变未来的战争形态和作战样式。本文在区块链技术基础上，重点研究分析了区块链技术在无人机集群控制领域的应用，对我军无人机集群的发展具有一定参考意义。

参考文献：

[1]靳志伟.区块链在工业控制领域的应用探讨[J].信息技术与网络安全，2019，38（10）：1-5.

[2]YANG W， AGHASIAN E， GARG S， et al. A survey on blockchain-based internet service architecture： requirements， challenges， trends， and future[J]. IEEE Access， 2019， 7： 75845-75872.

[3]ALI M， VECCHIO M， PINCHEIRA M， et al. Applications of blockchains in the Internet of things： a comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2019， 21： 1676-1717.

[4]徐宏偉.区块链在我国公共服务平台应用研究综述[J].科技创新与应用，2019，23：62-64.

[5]Neil B. Barnas. BLOCKCHAINS IN NATIONAL DEFENSE： TRUSTWORTHY SYSTEMS IN A TRUSTLESS WORLD[D]. Alabama： Maxwell Air Force Base， 2016.

[6]廉蔺，朱启超，赵炤.区块链技术及其潜在的军事价值[J].国防科技，2016，37（2）： 30-34.