未来十年将见证月球探测的复兴——包括数十项任务和在月球上建立永久基地的计划。这些努力带来了无数挑战。其中一个微妙但根本的问题是，世界各地的计量学家正在努力解答：月球现在几点？
“我们才刚刚开始规划，”美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心（位于马里兰州格林贝尔特）的位置、导航和授时团队负责人、航空航天工程师谢丽尔·格拉姆林说。
月球目前没有独立的时间。每次月球任务都使用自己的时间尺度，该尺度通过地球上的操作人员与协调世界时（UTC）——地球时钟设置的标准——相连。但是，这种方法相对不精确，探索月球的航天器彼此之间不进行时间同步。当月球仅有少数独立任务时，这种方法可行，但是当有多个航天器协同工作时，就会出现问题。航天机构还需要使用卫星导航来跟踪它们，而卫星导航依赖于精确的定时信号。
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通用月球时间会采取什么形式尚不清楚。由于地球和月球引力场不同，因此地球和月球上的时钟自然会以不同的速度运转。官方月球时间可以基于旨在与UTC同步的时钟系统，也可以独立于地球时间。
来自世界各地的航天机构和学术组织的代表于2022年11月在荷兰诺德维克的欧洲航天局（ESA）欧洲空间研究与技术中心会面，开始起草关于如何定义月球时间的建议。
法国塞夫尔国际计量局时间部门负责人帕特里齐亚·塔维拉说，必须尽快做出决定。她说，如果官方月球时间没有建立，航天机构和私营公司将提出自己的解决方案。“这就是为什么我们现在要发出警报，说让我们共同努力做出共同的决定。”
追踪卫星
对月球时间最迫切的需求来自于为月球创建一个专用的全球卫星导航系统（GNSS）的计划，类似于GPS和其他卫星导航网络如何在地球上实现精确定位跟踪。航天机构计划从2030年左右开始安装这个月球GNSS。欧洲航天局在2022年11月22日和23日在巴黎举行的部长级理事会会议上批准了一个名为“月光”的月球卫星导航项目，美国国家航空航天局于去年1月启动了一个类似的项目，名为“月球通信中继和导航系统”。
到目前为止，月球任务都是在预定时间使用发送到地球大型天线上的无线电信号来精确定位位置的。但是，戈达德中心从事月球导航工作的工程师乔尔·帕克说，随着数十项任务的计划，“根本没有足够的资源来覆盖所有人”。
作为第一步，从2024年开始，欧洲航天局和美国国家航空航天局将试验使用来自地球航天器的微弱卫星导航信号来推导月球上的位置。接下来，月球GNSS项目计划在月球周围放置专用卫星，每颗卫星都包含自己的原子钟。例如，月球表面的接收器将使用卫星信号到达接收器所需的时间来三角定位其位置。欧洲航天局“月光”项目的工程师约尔格·哈恩说，欧洲航天局计划了一个由四艘航天器组成的初始星座，该星座将覆盖月球南极的导航，月球南极蕴藏着月球的大部分水资源，是重要的探测目标。
哈恩说，月球任务还需要一个官方的月球时间来进行合作和沟通。“所有这些都必须追溯到一种时间参考，否则就会陷入混乱，事情就无法协同工作。”
哈恩说，另一个悬而未决的问题是，宇航员是否会在月球上的任何地方都使用通用月球时间。尽管月球时间仍将是官方时间尺度，但其用户可能像在地球上一样，希望在与太阳在天空中的位置相关的时区中对其进行偏移。这与其说是计量学问题，不如说是约定俗成的问题。“当有人真正在月球上生活时，我认为这是有道理的，”他说。
时间描述
定义月球时间并非易事。尽管秒的定义在任何地方都是相同的，但狭义相对论指出，在更强的引力场中，时钟走得更慢。月球的引力比地球弱，这意味着，对于地球上的观察者来说，月球时钟比地球时钟走得更快。格拉姆林估计，月球时钟在24小时内会快大约56微秒。塔维拉说，与地球上的时钟相比，由于月球的自转，时钟的速度也会根据其在月球表面的位置而略有变化。“对于相对论专家来说，这是一个天堂，因为你必须考虑很多事情，”她补充说。
定义月球标准（所有时钟都与之比较）将涉及安装至少三个以月球自然速度运行的主时钟，并通过算法组合其输出来生成更精确的“虚拟”时钟。
接下来会发生什么取决于计量学家选择哪个选项。他们可能会决定将月球时间基于UTC。在这种情况下，这个虚拟月球时间将定期与地球UTC同步。在两次同步之间，月球主时钟将继续计时，直到下一次同步。这样做的好处是，对于地球上的用户来说，交互起来很简单。
另一种选择是将月球原子钟的合成输出用作月球自身独立的连续时间，并跟踪其与UTC的关系。格拉姆林说，这样一来，即使与地球的连接丢失，月球上的时钟仍然会彼此一致，并允许安全的导航和通信。建立独立时间也是一个适用于航天机构最终目标更遥远行星（如火星）的模型。她补充说，在那里传输UTC将比传输到月球更复杂。
在这种情况下，月球上的“天”甚至可以与地球上的“天”不同地定义，以考虑到从太阳正午到太阳正午的时间平均为29.5个地球日。考虑到人类大约需要24小时的睡眠周期，地球日对宇航员来说始终很重要。但是，这个定义是计量学家需要达成一致的。
计量学家还需要决定将主时钟放置在月球上的哪个位置。与地球上一样，设备的高度会影响走时速度。哈恩说，时钟可以位于月球轨道上或月球表面。“这就是我们目前正在与美国国家航空航天局同事讨论的问题。”
航天机构还在通过机构间 operations 咨询小组（一个由国家航天机构和联合国全球导航卫星系统国际委员会组成的委员会）考虑其他必要的标准——例如使用哪些月球地形图和坐标系进行导航。格拉姆林说，为了使各国的系统具有互操作性，必须在国际上商定参考系统。
在美国航天局的帮助下，美国国家航空航天局正在开发一个名为LunaNet的框架，并希望获得国际认可。LunaNet由一套规则组成，这些规则将使所有月球卫星导航、通信和计算系统形成类似于互联网的单一网络，无论哪个国家安装它们。设定月球时间是更大图景的一部分。
“我们的想法是建立一个太阳系互联网，”格拉姆林说。“第一部分将从月球开始。”
本文经许可转载，最初于2022年1月24日发布。