启用区块链的飞行器安全通信的制作方法

1.本公开总体上涉及安全飞行器通信系统。更具体地，本公开的多方面涉及用于使用分布式机队(fleet)区块链登记簿(register)来确认飞行器身份、飞行器健康状况、飞行器位置和/或邻近天气数据的系统、方法和设备。


背景技术：

2.运行中的飞行器使用机载传感器以及来自诸如其他飞行器和地面站之类的其他源的信息来确定它们的位置和空域内其他飞行器的位置。确定准确的飞行器位置对于安全空中交通管制以确保飞行器之间的安全距离是至关重要的。飞行器可以从邻近的飞行器接收数据，诸如天气信息、湍流的发生、传感器数据以及对自定位确定的确认。接收准确信息是期望的且安全关键的，使得飞行器和地面服务可以具有准确的空域地图。
3.同样，至关重要的是飞行器之间的通信以及地面站与飞行器之间的通信是安全的。飞行器报告不准确的位置、飞行器位置的欺骗、未经授权的空中交通管制命令或者由不良行为者或故障系统进行的其他飞行器通信可能会给飞行器和乘客带来重大风险。期望解决这些问题并在飞行器与地面站之间提供安全的飞行器通信。在本背景技术部分中公开的以上信息仅用于提高对本发明的背景技术的理解，因此其可能包含不构成本领域普通技术人员在国内已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.本文公开了飞行器通信系统和方法以及用于提供飞行器通信系统的相关控制逻辑、制造这种系统的方法和操作这种系统的方法、以及配备有这种飞行器通信系统的运载工具。作为示例而非限制，提出了一种被配置为发送和接收电子数据的飞行器以及一种使用安全区块链确认来验证该数据的系统和方法。
5.根据本公开的一方面，一种启用区块链的飞行器安全通信系统包括但不限于收发器，被配置用于从始发飞行器接收区块，其中区块包括数据、哈希和先前哈希；存储器，被配置用于存储区块链登记簿和空域地图；处理器，被配置用于响应于区块链登记簿、哈希和先前哈希来确定区块的有效性，响应于空域地图来确定数据的一致性，确定区块的有效性的网络共识，处理器还操作为响应于区块的有效性、网络共识和数据的一致性来生成更新的区块链登记簿和更新的空域地图；以及控制器，被配置用于响应于更新的空域地图来控制飞行器。
6.根据本公开的一方面，一种方法包括但不限于由收发器从始发飞行器接收区块，其中区块包括数据、哈希和先前哈希；由处理器响应于存储在存储器上的区块链登记簿、所述哈希和所述先前哈希来确定区块的有效性；由处理器响应于存储在存储器上的空域地图来确定数据的一致性；由处理器确定区块的有效性的网络共识；由处理器响应于区块的有效性、网络共识和数据的一致性来生成更新的区块链登记簿和更新的空域地图；以及由飞行器控制器响应于更新的空域地图来控制主机飞行器。
7.根据本公开的一方面，一种方法包括但不限于从始发飞行器接收包括数据、哈希和先前哈希的区块，其中数据包括始发飞行器的位置；响应于先前哈希和区块链登记簿来验证区块；确定始发飞行器的位置与始发飞行器的先前位置之间的不一致性；拒绝区块；以及向始发飞行器发送不一致性的指示。
8.当结合附图时，根据优选实施例的以下详细描述，本公开的以上优点以及其他优点和特征将显而易见。
附图说明
9.通过参考结合附图对本发明实施例的以下描述，本发明的上述和其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加显而易见并且本发明将被更好地理解。
10.图1示出了说明根据示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的操作环境的示意图。
11.图2示出了说明根据示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的系统的框图。
12.图3示出了说明根据另一示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的方法的流程图。
13.图4示出了说明根据另一示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的系统的框图。
14.图5示出了说明根据另一示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的方法的流程图。
15.本文阐述的示例说明了本发明的优选实施例，并且这种示例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
16.本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅是示例并且其他实施例可以采用各种形式和替代形式。附图不一定按比例；某些特征可能被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅为代表性的。参考任何一幅附图图示和描述的各种特征可以与在一幅或多幅其他附图中图示的特征组合，以产生未明确图示或描述的实施例。图示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定应用或实现方式可能是期望的。
17.图1示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的示例性操作环境100。示例性操作环境100描绘了包括多个飞行器110、111、112、113和地面节点120(诸如空中交通管制节点)的空域。示例性飞行器110、111、112、113和地面节点120可以被配置为飞行器至所有通信网络(aircraft to all communications network，a2x)，其中网络内的任何飞行器都可以与其他飞行器和地面节点120中的任何一个进行通信。此外，网络可以是分布式机队网络。
18.在典型的飞行器通信期间，在飞行器与另一飞行器或地面站进行无线连接和通信的情况下存在安全问题。示例性系统提供了一种方法和装置，用于在整个机队配置中提供
安全的飞行器到飞行器和飞行器到空中交通管制的通信和数据传输。在该示例性实施例中，多个飞行器110、111、112、113充当分布式网络，其中每个飞行器都是单独的节点，其被安全地连接并且使用区块链发送和接收数据。使用分布式机队区块链机制来促进通信。分布式机队区块链机制通过使用区块链来解决连接安全问题，并提供对数据完整性的高度信任。例如，飞行器位置的区块链登记簿可以由分布式机队区块链内的每个飞行器维护。从分布式机队网络外部发送的任何区块都可以因缺少所需的区块链标识符而被拒绝。然后，任何飞行器位置中的位置不连续性也可以被机队内的一个或多个其他飞行器检测到，并且正确的位置可以被发送回发射飞行器。
19.空中交通管制塔台或其他受信源也可以充当分布式机队区块链中的地面节点120。当前的飞行器通信方法，诸如广播式自动相关监视(ads-b)不需要加密，并且容易有欺骗数据、操纵数据、数据包嗅探和其他攻击。在分布式机队区块链中注册的每个节点都可以传输和接收对于识别速度、方向、高度、全球定位系统(gps)、管制员-飞行员数据链路通信(cpdlc)、交通警报和防撞系统(tcas)、天气数据等有用的数据，以用于优化交通拥堵、位置感知和防止碰撞。飞行器110、111、112、113也可以使用分布式机队区块链来记录天气信息并将其发送到机队的其余部分，以具有周围天气(诸如湍流条件和风切变)的更完整视图。
20.分布式机队区块链可以用作机队健康状况管理工具。机队中的飞行器可以向区块链账本(ledger)发送更新，该区块链账本然后可以被分析以针对后勤(logistical)改进、gps跟踪和天气异常。gps跟踪将由受信节点使用以验证其他飞行器位置，并且如果gps欺骗或干扰正被使用，则纠正或警告节点。飞行器110、111、112、113可以使用卫星链路、低地球轨道卫星星座、vhf、hf、ku、ka或任何其他无线航空通信协议来与分布式机队区块链或地面进行通信。通过使用公钥基础设施(pki)、默克尔树、随机数、安全哈希算法256(sha-256)以及其他常见的区块链和加密技术来启动加密哈希函数，节点将添加到分布式机队区块链。一旦从受信节点被接受作为经过验证的区块，就将产生先前区块的哈希比较，以确保分布式机队区块链上的数据完整性。如果区块经过验证并且先前区块的哈希比较成功，则区块将作为永久记录添加到分布式机队区块链账本。
21.分布式机队区块链中的每个节点都可以在发送、接收和比较分布式机队区块链上的数据时充当共识。这给出了接收到的数据没有经过损害(compromised)、操纵或欺骗的高度信任。如果任何加密函数失败，则区块将被视为欺诈，并被排除在许可的区块链、pb和网络之外。如果链中的先前区块被更改，则先前区块的每个哈希解决方案都变得被破坏(broken)。网络上包含的所有节点都将看到破坏的链与它们自己的区块链副本不符合。不正确或更改的区块将不被其他节点识别。该方案作为分布式共识来运行，以验证所有数据是正确的。
22.现在转向图2，示出了根据本公开的示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的示例性系统200的示意图。示例性系统200可以包括收发器220、处理器210、控制器230和存储器240。在该示例性实施例中，系统200被描述为但不限于飞行器中使用的飞行器设备。示例性系统200同样可以用于空中交通管制地面站或任何其他受信节点。
23.收发器220被配置为从分布式机队网络内的其他节点发送和接收数据。数据可以包括对于识别速度、方向、高度、gps、cpdlc、tcas、天气数据等有用的数据，以用于优化交通拥堵、位置感知和防止碰撞。收发器220可以包括接收器和接收天线以及发射器和发射天线
或其任何组合。
24.在该示例性实施例中，处理器210被配置为生成用于发送到分布式机队网络的数据并处理从分布式机队网络接收的数据。例如，处理器210可以从收发器220接收由分布式机队网络中的始发飞行器(originating aircraft)发送的区块。区块可以包含可以指示飞行器位置、高度和速度的数据以及当前区块哈希和先前区块的哈希。处理器210将先前区块的哈希与存储在存储器中的区块链登记簿进行比较，以验证区块的有效性。如果处理器210确认了区块的有效性，则利用分布式网络中的其他节点确定有效性的共识。在一个示例性实施例中，区块链有效性的共识可以通过实用拜占庭容错算法(pbft)、工作量证明算法(pow)、权益证明算法(pos)或委托权益证明算法(dpos)来确定。如果达成共识，则将区块信息添加到存储器中的区块链登记簿。处理器210然后可以从区块中提取数据。
25.在该示例性实施例中，处理器210可以使用来自区块的数据，包含始发飞行器的飞行器位置、高度和速度，以确认雷达数据和/或生成邻近空域的雷达地图。处理器210还可以确定来自始发飞行器的数据、由始发飞行器在先前区块中发送的数据和/或响应于主机飞行器(host aircraft)传感器而确定的数据、雷达数据等之间的差异。如果差异由主机飞行器确定，则主机飞行器可以向始发飞行器和分布式机队网络中的其他节点发送差异的通知。主机飞行器可以向分布式机队网络中的其他节点发送由主机飞行器确定的与始发飞行器相关的数据。如果在分布式机队网络内存在共识，即，来自始发飞行器的数据是错误的，则可以用共识数据替换该数据和/或可以拒绝错误数据。始发飞行器可以使用共识数据来建立或补偿故障传感器或其他设备问题。此外，任何分布式机队节点都可以向区块链账本发送更新，该区块链账本随后可以被分析以针对后勤改进、gps跟踪和天气异常。
26.存储器240操作为存储分布式机队区块链和空域地图或其表示。分布式机队区块链可以包括与区块链相关的数据、每个区块的哈希和先前哈希(prior hash)等。处理器210可以使用区块链账本来确认区块的有效性。此外，区块链账本可以耦合到其他设备，以用于随后分析，诸如后勤改进、事故调查等。
27.控制器230向处理器提供数据，诸如经由其他飞行器传感器确定的飞行器速度、方向和高度。控制器230也可以向处理器210提供雷达数据、雷达地图和与检测邻近飞行器相关的其他数据。控制器230也可以从处理器210接收数据，诸如与其他飞行器位置和速度相关的地图数据。控制器230然后可以使用该数据来控制飞行器和/或更新邻近物体地图、雷达地图等。
28.现在转向图3，示出了说明根据本公开的示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的方法300的示例性实现方式的框图。示例性方法可以由启用区块链的通信系统执行，该通信系统形成用于发送和接收飞行器位置和性能数据以及本地天气和其他环境数据的全机队分布式网络的节点。
29.该方法首先操作为从始发飞行器接收305包含数据的区块。作为分布式机队网络的一部分，由始发飞行器向网络上的每个节点发送区块。在该示例性实施例中，区块可以包含飞行器位置、高度和速度数据，但是可能包括任何其他相关数据，诸如由始发飞行器检测到的环境数据。区块包括数据以及用于确定区块有效性的哈希和先前哈希。
30.该方法接下来操作为确定310区块的有效性。可以通过将随着来自始发飞行器的区块而接收到的先前哈希与存储在主机飞行器中的存储器上的区块链账本中的先前哈希
进行比较，来确定区块的有效性。该方法还可以挖掘区块内的数据以确定区块的哈希。然后可以将这种所确定的哈希与从始发飞行器提供的哈希进行比较，以确认数据的有效性。分布式网络中的每个节点都可以执行该验证，以确认区块的有效性。如果确定区块无效，则该方法拒绝312区块并返回以等待另一区块305。
31.如果由主机飞行器执行的方法确定区块有效，则该方法然后确定315是否已经达成区块的有效性的共识。在区块链分布式网络中，在将区块添加到区块链之前，必须达成节点之间的共识。可以通过每个节点确认区块的有效性，然后将确认通知给分布式机队网络中的其他节点，来达成共识。可替代地，如果发现区块无效，则节点可以发送无效性的通知。如果在预定持续时间期间没有接收到无效性的通知，则可以确定共识。如果在315未达成共识，则该方法拒绝312区块并返回以等待另一区块305。
32.如果区块被确认为有效，并且达成共识，则示例性方法接下来将来自区块的数据与先前区块中的接收到的先前数据进行比较320，以确定数据是否一致(consistent)。如果数据与先前数据一致，诸如一致的位置和速度，则使用数据来更新330、确认或增加主机飞行器内的邻近地图数据。如果区块与先前数据不一致，诸如飞行器轨迹的不连续性，则该方法可以拒绝312来自始发飞行器的数据。不一致的数据可能指示始发飞行器上的一个或多个故障传感器，或者不良行为者对飞行器位置的欺骗。此外，主机飞行器可以通知始发飞行器和/或分布式机队网络中的其他节点。在一个实施例中，主机飞行器也可以从区块链中移除区块或者不在区块链登记簿中登记区块。
33.现在转向图4，示出了说明根据本公开的示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的系统400的另一示例性实现方式的框图。系统400可以形成启用区块链的飞行器安全通信系统的一部分，包括接收器405、发射器410、处理器420、存储器430和控制器440。
34.接收器405被配置用于从始发飞行器接收区块，其中区块包括数据、哈希和先前哈希。区块可以经由射频通信网络来发送。在该示例中，区块从始发飞行器发送到分布式机队网络上的所有邻近节点，包括飞行器和地面节点。在一个示例性实施例中，数据可以包括始发飞行器的速度、高度和位置。数据可以包括由始发飞行器测量的环境条件，诸如空气湍流的位置或某个位置处的气压。
35.存储器430可以被配置用于存储区块链登记簿和空域地图。空域地图是所有邻近飞行器相对于地面位置等的位置的表示。空域地图可以由飞行器操作和飞行器系统使用以识别邻近飞行器的位置，从而可以避开邻近飞行器。存储器430也可以存储由主机飞行器、其他飞行器和基于地面的信息源测量的天气和环境信息。
36.处理器420可以被配置用于响应于区块链登记簿、哈希和先前哈希来确定区块的有效性。在一个示例性实施例中，处理器420可以响应于区块链登记簿中的先前哈希与接收到的区块中包含的先前哈希的比较，来建立区块的有效性。区块可以响应于确定区块的无效性而被拒绝。处理器420也可以响应于空域地图来确定数据的一致性。例如，如果接收到的区块的数据中指示的始发飞行器的位置与空域地图中指示的始发飞行器的先前位置不一致，则可以拒绝来自区块的数据。不一致性的示例是，一架以500节的速度在向西方向上前进的飞行器突然重新定位到先前位置以东100英里处。这种位置变化是不太可能的，并且可能指示始发飞行器上的传感器错误或不良行为者的欺骗企图。在一个示例性实施例中，
共识可以由受信节点响应于多个分布式机队网络节点来确定，并经由接收器405发送到处理器420。分布式机队中的受信节点确定共识，包括受信地面节点。
37.系统400可以被配置为经由发射器410向多个分布式机队网络节点发送区块的有效性。同样，系统400可以经由发射器410向始发飞行器和/或多个分布式机队网络节点发送数据的不一致性的通知。多个分布式机队网络节点然后可以检测始发飞行器的位置，并将检测到的位置提供给分布式机队网络中的其他节点，包括始发飞行器。
38.处理器420可以被配置用于确定区块的有效性的网络共识。可以通过从大多数网络节点接收到的肯定的有效性指示，或者不存在从大多数网络节点接收到的大多数无效性指示，来确定网络共识。如果数据有效且一致，则处理器420可以生成更新的区块链登记簿和更新的空域地图。控制器440然后可以响应于更新的空域地图来控制飞行器和/或飞行器显示器或用户界面。例如，控制器440可以向飞行器的飞行员显示更新后的空域的表示。
39.现在转向图5，示出了说明根据本公开的示例性实施例的用于提供启用区块链的飞行器安全通信的方法500的示例性实现方式的流程图。在该示例性实施例中，方法500可以是在飞行器之间发送数据的方法。初始地，该方法可以从始发飞行器接收510区块，其中区块包括数据、哈希和先前哈希。区块可以由收发器或接收器经由射频通信信道接收。其中，数据包括始发飞行器的速度、高度和位置。其中，数据包括由始发飞行器测量的环境条件。
40.然后，该方法使用处理器或其他计算设备，响应于存储在存储器上的区块链登记簿、该哈希和该先前哈希，确定520区块的有效性。如果确定区块无效，诸如当区块中指示的先前哈希与区块链登记簿中指示的先前哈希不匹配时，则区块可以被拒绝并且不被输入到区块链登记簿中。区块中的数据也可以被确定为无效或不可靠。
41.如果确定区块有效，则该方法接下来操作用于响应于存储在存储器上的空域地图来确定530数据的一致性。可以响应于区块中提供的数据与用于更新空域地图的先前数据相比的合理连续性，来确定一致性。例如，如果始发飞行器在与飞行器速度不一致的位置或高度上突然跳跃，则数据可以被确定为不具有合理的连续性并且可以被拒绝。此外，如果数据不具有合理的连续性，则区块可以被拒绝并且不在区块链登记簿上登记。
42.在一个实施例中，如果区块有效并且数据具有连续性，则该方法然后可以确定540区块的有效性的网络共识；其中，共识由地面节点响应于多个分布式机队网络节点提供的数据来确定。可以响应于从多个分布式机队网络节点接收到的多个有效性确定来确定共识。可替代地，可以响应于不存在从网络中的其他节点接收到的任何无效性指示来确定共识。
43.如果发现区块是有效的、数据具有连续性、并且分布式机队网络节点之间存在共识，则可以响应于区块内的数据来更新550区块链登记簿和空域地图。该方法然后可以响应于更新的空域地图来控制560主机飞行器。例如，飞行控制器可以用于响应于更新的空域地图来控制飞行器的速度。
44.该方法可以向多个分布式机队网络节点发送区块的有效性。该方法还可以向始发飞行器发送数据的不一致性的通知，并且还可以向多个分布式机队网络节点发送数据的不一致性的通知。
45.在一个示例性实施例中，方法500操作用于从始发飞行器接收包括数据、哈希和先
前哈希的区块，其中数据包括始发飞行器的位置，以及响应于先前哈希和区块链登记簿来验证区块。该方法接下来操作用于确定始发飞行器的位置与始发飞行器的先前位置之间的不一致性。如果确定不一致性，则该方法可以拒绝区块，并且向始发飞行器发送不一致性的指示。此外，该方法可以确定始发飞行器的当前位置，并且将始发飞行器的当前位置与不一致性的指示一起发送给始发飞行器。
46.尽管在前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现示例性实施例或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求及其合法等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以在元件的功能和布置中进行各种改变。