各国和公司正在加紧努力在月球上部署第一个卫星导航系统，以支持那里的一系列计划任务。
“你到了在你的目的地。这句话以机器人的节奏传递，对于任何使用卫星导航系统引导他们观光散步、越野公路旅行以及从 A 点到 B 点的各种旅程的人来说都很熟悉。
答案不仅是“是”，而且是“很快”，根据参与在月球周围建立类似 GPS 星座的新努力的航天机构的说法。NASA 及其在欧洲和日本的合作伙伴正在开发月球卫星导航概念，这些概念可以在 2020 年代末部署。7 月，中国国家航天局 （CNSA） 公布了其由 21 颗通信和导航卫星组成的星座计划，以支持其登月梦想。
“直到现在，还没有推动将地球上存在的所有通信和导航基础设施转移到太阳系中的其他任何地方，”美国国家标准与技术研究院 （NIST） 的理论物理学家 Bijunath Patla 说，他发表了关于这些努力的物流研究。“现在是人们考虑技术飞跃的时候。”
未来几年计划中的月球活动和探索激增推动了这一飞跃，这将需要复杂的物流，包括支撑我们地球上几乎所有基础设施的位置、导航和授时 （PNT） 系统类型。美国宇航局领导的阿尔忒弥斯计划旨在将宇航员送往月球南极执行表面任务，这一目标需要可靠的通信线路和精确的定位服务。中国还计划在这十年内将宇航员送上月球，许多其他政府和企业实体将在不久的将来向月球表面派遣机器人探测器。
商业航天部门正在密切关注新兴月球经济中可能出现的机会，例如资源开采、低重力制造、科学研究或旅游业。过去的月球任务依靠基本的中继进行通信和导航，而未来的月球探测需要一个适合覆盖我们的天然卫星的卫星系统，或者至少是部分卫星。
Gramling 说，同样，如果要建立月球经济，就需要在月球上建立这种基础设施。拥有月球定位系统“将有助于着陆系统、就地资源利用和路径规划，”她说，并补充说：“我们开玩笑说，将来，你可以规划前往 LunaBucks 的路径，作为你的早晨咖啡。她解释说，考虑到那里计划的任务，最初的重点将放在月球南极，但覆盖整个月球“可能是一个长期目标”。
在月球上漫步到当地的 LunaBucks 的梦想确实很诱人，但必须解决一些复杂的谜题才能确保月球 GPS 系统正常工作。首先，科学家必须解决一个基本问题：月球上现在几点了？答案并不简单。月球任务总是考虑月球昼夜的周期，每个周期持续两周，但目前月球上没有类似于协调世界时系统的标准时间刻度，该系统使地球上的时钟同步滴答作响。
精确计时是推动全球导航卫星系统 （GNSS） 兴起的核心创新，该类别包括美国的 GPS、中国的北斗、俄罗斯的 GLONASS 和欧洲的伽利略星座。这些网络中的卫星携带原子钟，可以在十亿分之几秒内分辨时间。地球上的位置是根据卫星信号到地面接收器的传输时间计算的;仅 1 纳秒的时间测量值会产生 30 厘米的距离误差。因此，高时间精度是 GNSS 提供精确地理定位服务的基础，它也将是未来月球上任何类似物的关键。
然而，有一个问题：月球上的时钟滴答作响比地球上的时钟滴答作响略快。这种差异是广义相对论的结果，广义相对论表明时间的流动会因大质量物体而减慢。月球的质量比地球小，因此其表面的原子钟滴答作响。
为了解决这个问题，帕特拉和他的同事尼尔·阿什比（Neil Ashby）也是 NIST 的物理学家，在上个月发表在《天文学杂志》上的一项研究中计算了地球时钟和月球之间的“速率偏移”。两人发现，月球上的时钟每天比地球上的时钟快约 56 微秒。（顺便说一句，月亮的相对运动对时钟有相反的影响，使它们稍微减慢，但这个因素还不够明显，不足以抵消加速时钟的引力效应。
“地球上一个好的时钟每 140 亿年（宇宙的年龄）就会损失一秒，正负一秒，”Patla 说。但他补充说，在月球上，如果不进行校正，与地球上的时钟相比，大约每 50 年就会损失一秒。“如果你能比较范围，这是一个很大的影响。”
Patla 和 Ashby 的新工作为标准月球时间尺度奠定了基础，类似于地球上的 UTC，这将允许月球上的未来轨道和地面节点 ping 出精确 PNT 服务所需的同步时间戳。
这些未来月亮星座的确切配置，包括卫星的数量及其特定的月球轨道，仍在确定中。NASA、欧洲航天局 （ESA） 和日本宇宙航空研究开发机构 （JAXA） 目前正在监督类似 GPS 的星座的姊妹项目，这些项目将涉及商业合作伙伴。这些项目（NASA 的月球通信中继和导航系统、ESA 的 Moonlight Initiative 和 JAXA 的月球导航卫星系统）都设计为遵循名为 LunaNet 的可互操作框架。
“我将 LunaNet 称为大伞，”Gramling 说。“该架构定义了将用于可互操作通信以及位置、导航和授时服务的标准。人们正在努力定义这些标准并将其记录在 LunaNet 互操作性规范中。
“这是一个与地球截然不同的范式，在地球上，美国有 GPS，欧洲有伽利略，或者俄罗斯有 GLONASS，”她补充道。“因为我们处于早期阶段，所以我们的想法是，我们必须作为迄今为止参与 LunaNet 的三个合作伙伴共同努力，并在我们三个人中维护一个系统。”
换句话说，虽然 NASA、ESA 和 JAXA 目前正在从事各自的项目，但他们计划最终将这些想法合并到一个操作系统中。欧洲航天局 （ESA） 的 Moonlight Initiative 的详细计划有助于描绘月球 GNSS 星座最终会如何震撼。
按照欧洲航天局目前的设想，“月光”将由至少五颗卫星组成，包括一颗大型通信卫星和四颗较小的专用导航卫星，这些卫星被放置在特殊轨道上，以优化对月球南极的覆盖。这种初始设置将在覆盖区域内每 24 小时提供 15 个可靠且可预测的 PNT 服务小时，但 Moonlight 的设计也是可扩展的，这意味着可以添加更多卫星以扩大服务区域或支持更复杂的任务。
“Moonlight 将在勘探领域提供非凡的范式转变，”欧洲航天局 （ESA） 的 Moonlight 导航经理 Javier Ventura-Traveset 说。“多亏了 Moonlight，未来的任务将可以直接从月球轨道访问宽带通信服务和类似 GNSS 的导航系统，而不是每个月球任务都需要自己复杂的通信和导航系统，严重依赖地球支持，所有这些都是根据与商业提供商签订的服务合同进行的。”
目前尚不清楚中国或任何其他国家在现有月球导航星座系统上的合作程度，或者月球是否最终会拥有类似于地球的多个版本的 GNSS。今年夏天早些时候，中国空间技术研究院的一个科学家团队在《中国空间科学与技术》杂志上概述了 GPS 式星座的分阶段计划。
“中国在多个国际论坛上表达了对发展月球导航基础设施的兴趣，并在今年发射了月球通信中继卫星鹊桥二号卫星，”Ventura-Traveset 指出。“与 ESA、NASA 和 JAXA 类似，中国很可能也会开发自己的月球导航星座。在其中一些国际论坛上，中国也表示了追求国际互操作性的兴趣。
这些多个相互竞争的概念的出现导致一些人怀疑是否已经进入了一场新的“太空竞赛”，以建立第一个月球版 GPS。但 Gramling 并不这么认为。“我只知道我们正在埋头苦干，与我们的合作伙伴合作，因为我们有必须在相对较短期内支持的任务，”她说。“我们只是试图专注于确保我们正在开发 LunaNet 的合作伙伴对我们试图提供的服务感到放心，并且我们共同努力。”
帕特拉指出，上个月，国际天文学联合会（International Astronomical Union）——一个调解一系列天文问题的组织——对一项决议进行了投票，该决议强调在建立月球时间尺度和月球 PNT 系统的其他要素方面进行合作。
“至少在初始阶段，合作会更便宜，而且也会让每个人都受益，”Patla 说。“但我们不知道结果会如何。”
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