Ożywienie cyfrowego serca Apollo.

Włączyliśmy 50-letni sprzęt z misji Apollo. 4 inżynieryjne sekrety, które nas zaskoczyły

Wstęp: ożywianie bohatera ery kosmicznej.

Fascynacja programem Apollo nie słabnie, a możliwość dotknięcia i uruchomienia oryginalnego sprzętu z tamtej epoki to spełnienie marzeń każdego entuzjasty technologii kosmicznej. W ramach naszego projektu polegającego na wskrzeszeniu systemu komunikacyjnego Apollo, z wykorzystaniem oryginalnego sprzętu ze statku kosmicznego i naziemnego NASA, na stół trafił prawdziwy weteran: moduł telemetrii PCM. Na pierwszy rzut oka to niedoceniane, ciężkie na 20 kilogramów (44 funty) urządzenie. W rzeczywistości było to cyfrowe serce misji, które w czasie rzeczywistym przesyłało 365 sygnałów analogowych i 304 sygnały cyfrowe, a do tego cały strumień danych z Komputera Nawigacyjnego Apollo, wprost na ekrany w centrum kontroli misji w Houston. Proces uruchomienia tego metalowego pudełka po dekadach ciszy ujawnił kilka zaskakujących i sprzecznych z intuicją prawd o inżynierii, która zabrała człowieka na Księżyc.

1. Łącze z Księżyca było szybsze niż łącze na Ziemi

Moduł PCM był niezwykle zaawansowany jak na swoje czasy. W trybie High Bit Rate mógł przesyłać dane z prędkością 51,2 kb/s z odległości księżycowej – to imponujący wynik jak na lata 60. Jednak w trakcie projektu odkryliśmy zaskakujący problem: naziemne stacje śledzące, takie jak Honeysuckle w Australii, nie były w stanie przesłać całego tego strumienia danych do Houston w czasie rzeczywistym.

Kontrast był porażający. Podczas gdy dane pędziły przez setki tysięcy kilometrów próżni kosmicznej, na Ziemi musiały zostać spowolnione i przesłane przez dzierżawione linie telefoniczne. Służyły do tego 'najnowocześniejsze' rozwiązanie tamtych lat: para modemów Bell 201B o prędkości zaledwie 2400 bitów na sekundę. Warto dodać, że działo się to w czasach, gdy standardowy modem Bell 103 osiągał zawrotną prędkość 300 bodów. Oznaczało to, że dopiero w stacji naziemnej pełny strumień danych był zapisywany na taśmie, a do Houston na żywo trafiał jedynie starannie dobrany podzbiór. To niesamowite, że wąskie gardło w komunikacji Apollo nie znajdowało się w przestrzeni kosmicznej, ale w ziemskiej infrastrukturze telekomunikacyjnej.

2. Najbardziej zaawansowana elektronika cyfrowa... bez układów scalonych.

Spodziewalibyśmy się, że tak skomplikowane urządzenie cyfrowe będzie zbudowane w oparciu o układy scalone (IC), tak jak słynny Komputer Nawigacyjny Apollo (AGC). Jednak podwykonawca odpowiedzialny za moduł PCM, firma Radiation Inc., podjął inną decyzję. Zamiast "nowomodnych układów scalonych", których dostępność i niezawodność w tamtym czasie budziły obawy, firma postawiła na swoją "sprawdzoną technologię" – moduły logiczne zbudowane z dyskretnych komponentów.

Konstrukcja tych modułów była unikalna. Komponenty umieszczono w technice "cordwood", czyli warstwowo między dwiema małymi płytkami drukowanymi. Następnie całość zalewano miękką pianką poliuretanową, co jeden z członków naszego zespołu, Ken, trafnie porównał do "hotelowego mydła". To podejście wywołało nasze zdziwienie, które najlepiej podsumowują słowa Marca:

It is the most complicated bit of digital electronics, and it has no IC's in it.

Ten wybór technologiczny doskonale pokazuje, jak w programie Apollo konserwatyzm inżynieryjny i dążenie do maksymalnej niezawodności czasami przeważały nad najnowocześniejszymi, ale nie w pełni sprawdzonymi innowacjami.

3. Celowe usunięcie złącz, by zwiększyć niezawodność.

Analizując dokumentację projektową, odkryliśmy, że pierwotny projekt modułu PCM zakładał użycie złącz wielopinowych. Cel był praktyczny: umożliwić astronautom wymianę uszkodzonych modułów w trakcie lotu. Dlaczego więc w finalnej wersji ich nie ma, a wszystkie połączenia są lutowane na stałe?

Odpowiedź leży w inżynieryjnym kompromisie. Szybko odkryto, że duże, wielopinowe złącza negatywnie wpływają na niezawodność całego urządzenia i znacząco zwiększają jego wagę. Kluczowa zmiana nastąpiła po tragicznym pożarze Apollo 1. W nowej specyfikacji Block II zrezygnowano z wymogu napraw w locie na rzecz absolutnej hermetyczności i maksymalizacji niezawodności. To otworzyło drogę do eliminacji zawodnych złącz. Połączenia zostały zastąpione przez twarde lutowanie. To sprzeczne z intuicją – usunięcie elementu ułatwiającego serwisowanie w rzeczywistości uczyniło system bardziej solidnym i niezawodnym.

4. Pianka nie służyła do ochrony. Służyła do tłumienia wibracji.

Po otwarciu obudowy modułu PCM naszym oczom ukazał się niezwykły widok: ciężkie moduły elektroniczne zamontowane na dużych płytkach drukowanych i zalane miękką, żółtawą substancją przypominającą piankę. Naszym pierwszym, oczywistym założeniem było, że służyła ona do ochrony komponentów przed uszkodzeniem lub do izolacji. Byliśmy w błędzie.

Jej prawdziwy, genialny cel odkryliśmy w dokumentacji projektowej. Zadaniem pianki było "zapobieganie wzmocnieniu akustycznemu wibracji przy rezonansie". Innymi słowy, miała ona za zadanie wytłumić niszczycielskie drgania powstające podczas potężnego startu rakiety Saturn V. Konkretne dane pokazały, jak skuteczna była ta metoda: pianka redukowała poziom wibracji w krytycznym zakresie 200-500 Hz nawet pięciokrotnie. To doskonały przykład na to, jak inżynierowie Apollo musieli rozwiązywać problemy, o których dziś rzadko myśli się przy projektowaniu elektroniki użytkowej.

Zakończenie: lekcje z metalowego pudełka.

Moduł telemetrii PCM to nie tylko relikt technologiczny. To kapsuła czasu pełna lekcji o inżynieryjnych kompromisach, priorytetowym traktowaniu niezawodności ponad nowinkami i genialnych, choć nieoczywistych rozwiązaniach. Za każdym rzędem liczb i każdym wykresem pojawiającym się na ekranach w Houston stało urządzenie pełne zaskakujących decyzji projektowych, które wspólnie zapewniły sukces misji.

Ta podróż w głąb 50-letniego sprzętu uświadamia nam, jak wiele jeszcze możemy się nauczyć z tamtej epoki. Pozostaje tylko zadać pytanie: jakie inne niewidoczne cuda inżynierii kryją się w technologii, która zabrała ludzkość na Księżyc, a o których jeszcze nie wiemy?

Ożywienie cyfrowego serca Apollo: projekt telemetrii PCM.

Wprowadzenie: podróż w czasie do ery kosmicznej.

Celem tego niezwykłego projektu jest wskrzeszenie systemu komunikacyjnego Apollo, przy użyciu oryginalnego sprzętu ze statku kosmicznego i naziemnego sprzętu NASA. To podróż w czasie, która pozwala dotknąć technologii stojącej za jednym z największych osiągnięć ludzkości. Zespół ma już na koncie imponujące sukcesy, które krok po kroku odbudowują ten historyczny most komunikacyjny:

Uruchomienie dwukierunkowego łącza mikrofalowego.
Odtworzenie łączności głosowej w obie strony.
Wskrzeszenie legendarnego przekazu telewizyjnego z Księżyca.

Teraz nadszedł czas na jedno z najtrudniejszych wyzwań: ożywienie cyfrowego serca statku kosmicznego. Głównym bohaterem tej opowieści jest system telemetrii PCM – gęsty strumień cyfrowych danych, który płynął z Apollo na Ziemię, niosąc kluczowe informacje o stanie pojazdu. Był to system, który wyprzedzał swoją epokę, a zrozumienie jego działania jest kluczem do pełnego odtworzenia komunikacji z misji Apollo.

1. Czym był system telemetrii PCM? Nerwowy system misji Apollo.

Akronim PCM oznacza Pulse Code Modulation (Modulacja Kodowo-Impulsowa). Była to fundamentalna zmiana paradygmatu – w czasach, gdy dominowała telemetria analogowa, system Apollo postawił na technologię w pełni cyfrową.

Najlepiej wyobrazić sobie system PCM jako cyfrowy układ nerwowy statku kosmicznego. Zbierał on setki sygnałów z całego pojazdu i przekazywał je w postaci binarnego strumienia do "mózgu" operacji – centrum kontroli misji w Houston. Skala przesyłanych danych była, jak na tamte czasy, ogromna:

365 sygnałów analogowych (np. odczyty z czujników temperatury czy ciśnienia)
304 sygnały cyfrowe (np. status przełączników)
Strumień danych z Komputera Pokładowego Apollo (AGC)

System ten był nie tylko wszechstronny, ale i niezwykle szybki. W trybie wysokiej przepustowości (High Bit Rate) był w stanie transmitować dane z prędkością 51,2 kb/s z odległości Księżyca. Aby zrozumieć, jak wielki był to skok technologiczny, wystarczy porównać tę wartość do standardowych modemów telefonicznych z tamtej epoki, które osiągały prędkość zaledwie 300 bodów. W rzeczywistości strumień danych był tak potężny, że naziemna infrastruktura NASA nie była w stanie przesłać go w całości w czasie rzeczywistym. Zdalne stacje śledzące musiały wybierać jedynie podzbiór najważniejszych danych i przesyłać go do Houston za pomocą najnowocześniejszych wówczas modemów o prędkości 2400 bit/s.

Skoro wiemy już, jakie dane przesyłał ten system, przyjrzyjmy się bliżej fizycznemu urządzeniu, które stało za tą rewolucją.

2. Wehikuł czasu w metalowej obudowie: wnętrze modułu PCM.

Moduł PCM to prawdziwy artefakt inżynierii lat 60. Jego parametry fizyczne doskonale ilustrują technologię tamtej ery, zwłaszcza w porównaniu do dzisiejszych standardów.

Cecha	Moduł PCM Apollo
Waga	20 kg (44 funty)
Pobór Mocy	21 Watów
Producent	Radiation Inc.

Jedną z najbardziej zaskakujących cech konstrukcyjnych jest całkowity brak użycia układów scalonych (IC). Firma Radiation Inc., odpowiedzialna za budowę modułu, obawiała się o niezawodność i dostępność tej nowej technologii. Zamiast tego postawiła na sprawdzone, dyskretne komponenty (tranzystory, oporniki) umieszczone w modułach zalewanych specjalną masą, zwanych "potted modules". Było to podejście konserwatywne, stojące w całkowitej opozycji do filozofii zespołu Komputera Pokładowego Apollo (AGC), który odważnie postawił na pionierskie wykorzystanie układów scalonych.

"Looks like hotel soap." — Ken, komentując wygląd wewnętrznych modułów

Dokumentacja projektowa ujawnia dwie kluczowe decyzje inżynierskie, które świadczą o niezwykłej dbałości o szczegóły i niezawodność:

Miękka pianka poliuretanowa: wnętrze modułów wypełniono miękką pianką, aby tłumić wibracje rezonansowe w zakresie 200–500 Hz. Był to realny problem przy tak dużej masie komponentów zamontowanych na płytkach drukowanych.
Brak złączy (połączenia lutowane): po tragicznym pożarze Apollo 1 zrezygnowano z wymiennych modułów na rzecz większej hermetyczności i niezawodności. Ciężkie i potencjalnie zawodne złącza wielopinowe zastąpiono trwałymi połączeniami lutowanymi.

Zrozumienie budowy fizycznej to jednak dopiero początek. Prawdziwym wyzwaniem było rozszyfrowanie języka, w którym "mówiło" to historyczne urządzenie.

3. Rozszyfrować strumień danych: struktura ramki telemetrycznej.

Aby odbiorniki na Ziemi mogły zrozumieć ciągły strumień bitów płynący z kosmosu, dane musiały być zorganizowane w logiczną, powtarzalną strukturę. Hierarchia danych w systemie PCM wyglądała następująco:

Cykl telemetryczny (1 sekunda): nazywany przez NASA "podramką" (subframe).
- 50 Ramek głównych (prime frames): podstawowa, powtarzalna jednostka danych.
  - 128 Słów (words): każde słowo to 8-bitowy bajt.

Kluczowym elementem tej struktury był sygnał synchronizacyjny (sync pattern). Można go porównać do unikalnego symbolu na początku każdego rozdziału książki – pozwalał on odbiornikowi odnaleźć początek każdej ramki w nieprzerwanym strumieniu danych. Sygnał ten był celowo długi i nietypowy (26 bitów), aby zminimalizować ryzyko jego przypadkowego pojawienia się w przesyłanych danych.

Oprócz samego sygnału synchronizacyjnego, strumień zawierał dwie dodatkowe, niezwykle ważne informacje, które zespół wykorzystał do weryfikacji poprawności działania modułu:

Licznik Ramek (Frame Count): liczba od 1 do 50, która informowała, która z 50 ramek w danym cyklu jest właśnie odczytywana.
Słowa testowe (SRC 0 i SRC 1): specjalne bajty, z których jeden zawierał same zera (wartość 0), a drugi same jedynki (wartość 255). Pojawiały się one w określonych ramkach i służyły jako forma autotestu, potwierdzająca, że system działa prawidłowo.

Uzbrojeni w tę teoretyczną wiedzę, członkowie zespołu byli gotowi na podjęcie historycznej próby uruchomienia urządzenia po dekadach ciszy.

4. Projekt wskrzeszenia: od teorii do pierwszego sygnału.

Główne wyzwania

Zespół stanął przed dwoma fundamentalnymi problemami, które uniemożliwiały proste podłączenie modułu "do prądu":

Brak schematów pinów (pinout) dla licznych i skomplikowanych złączy modułu.
Brak oryginalnego sprzętu dekodującego, który w czasach Apollo zajmował całe pomieszczenie.

Przełom: pierwsze uruchomienie.

Po dekadach milczenia nadeszła chwila prawdy. Proces przywracania modułu do życia był prawdziwą pracą detektywistyczną, łączącą historyczną dokumentację z nowoczesną technologią.

Zbudowanie dekodera: zadania podjął się Mike Stewart, ekspert od programowalnych układów FPGA, który wcześniej zasłynął stworzeniem pełnej repliki Komputera Pokładowego Apollo w oparciu o układ FPGA. Stworzył od podstaw nowoczesny dekoder zdolny w czasie rzeczywistym analizować strumień danych i rozpoznawać w nim strukturę ramek telemetrii Apollo.
Identyfikacja zasilania: zespół dysponował starym schematem, który nie był w pełni godny zaufania. Na jego podstawie wysunięto hipotezę dotyczącą pinów trójfazowego zasilania, którą następnie potwierdzono pomiarami impedancji. To był kluczowy moment inżynierskiej dedukcji.
Pierwsze włączenie: moduł podłączono do zasilania. Ponieważ moduł nie był podłączony do Centralnego Urządzenia Czasowego (CTE), które w normalnych warunkach dostarcza sygnały zegarowe, zgodnie z projektem automatycznie przełączył się w tryb awaryjny, uruchamiając swój wewnętrzny oscylator.
Sukces dekodowania: oprogramowanie Mike'a natychmiast wychwyciło sygnał. Poprawnie zsynchronizowało się ze strumieniem danych, odczytując sygnał synchronizacji, rosnący licznik ramek (od 1 do 50) oraz naprzemiennie pojawiające się słowa testowe SRC 0 i SRC 1. Cyfrowe serce Apollo znów zaczęło bić.

Słowa Mike'a wypowiedziane w chwili sukcesu idealnie podsumowują ten moment:

"So, this is good. These are PCM health check words that are supposed to be 0 and 255." — Mike

To był ogromny sukces, ale jednocześnie dopiero pierwszy krok na drodze do pełnego zrozumienia i odtworzenia całego systemu.

5. Podsumowanie i następne kroki: sygnał z przeszłości żyje.

Uruchomienie modułu telemetrii PCM po ponad 50 latach to znacznie więcej niż tylko techniczny sukces. To akt zachowania bezcennego dziedzictwa technologicznego i niezwykły hołd złożony inżynierom, których geniusz umożliwił podróż na Księżyc. Zespół udowodnił, że cyfrowe serce Apollo wciąż bije.

Przed nimi jednak kolejne, fascynujące wyzwania, które przybliżą ich do pełnej rekonstrukcji systemu.

Co dalej?

Odkrycie schematu pinów dla setek sygnałów wejściowych.
Zrozumienie skomplikowanych i unikalnych obwodów analogowych, w tym tajemniczego komponentu, o którym nikt z zespołu wcześniej nie słyszał – "INCH".
Zintegrowanie modułu PCM z resztą odtworzonego systemu komunikacyjnego Apollo.
Przesłanie danych telemetrycznych drogą radiową i odkodowanie ich na Ziemi, tak jak robiono to podczas prawdziwych misji.

Projekt ten w piękny sposób pokazuje, jak pasja i nowoczesna technologia pozwalają na nowo odkrywać i doceniać przełomowe dokonania ery podboju kosmosu, ożywiając historię dla przyszłych pokoleń.

Cyfrowe serce Apollo: tajemnice modułu telemetrii PCM.

Wprowadzenie

W cieniu potężnych rakiet Saturn V i legendarnego Komputera Nawigacyjnego Apollo kryje się urządzenie, które było cyfrowym sercem każdej misji księżycowej. Moduł telemetrii PCM, choć rzadko wspominany, stanowił kluczowy element komunikacji, niestrudzenie przesyłając na Ziemię ogromne ilości danych, które wypełniały ekrany w centrum kontroli misji w Houston. To dzięki niemu kontrolerzy lotu mogli w czasie rzeczywistym monitorować każdy aspekt funkcjonowania statku kosmicznego. Analiza jego budowy to fascynująca podróż do początków ery kosmicznej, ukazująca genialne kompromisy inżynieryjne tamtych czasów. Jego ponowne uruchomienie po ponad 50 latach pozwoliło odkryć na nowo sekrety inżynierii, które umożliwiły podbój Księżyca.

1. Czym był moduł telemetrii PCM?

PCM to skrót od Pulse Code Modulation (Modulacja Kodowo-Impulsowa). Była to przełomowa technologia cyfrowa, która w przeciwieństwie do powszechnie wtedy stosowanej analogowej telemetrii FM, pozwalała na przesyłanie danych w postaci czysto cyfrowej. Moduł był połączony z setkami czujników na pokładzie statku Apollo, tworząc kompleksowy system monitoringu.

Zakres przesyłanych informacji był imponujący:

Sygnały analogowe: 365 (np. odczyty temperatury, ciśnienia)
Sygnały cyfrowe: 304 (np. status przełączników)
Dodatkowy strumień danych: szeregowy link z Komputera Nawigacyjnego Apollo (Apollo Guidance Computer)

W trybie wysokiej przepustowości (High Bit Rate) moduł mógł nadawać z prędkością 51.2 kb/s, co było wartością oszałamiającą jak na tamte czasy. Przesyłano tak dużo danych, że naziemne stacje śledzące nie były w stanie przekazać ich wszystkich w czasie rzeczywistym do Houston. Centrum kontroli misji wybierało więc podzbiór kluczowych informacji, na tyle mały, aby można go było transmitować na żywo przez dzierżawione linie telefoniczne za pomocą pary najnowocześniejszych modemów Bell 201B o prędkości 2400 bitów na sekundę. Unikalne wybory projektowe sprawiły, że moduł ten był prawdziwym cudem inżynierii, ukształtowanym przez ograniczenia i priorytety swojej epoki.

2. Projekt w kontekście czasu: dlaczego zbudowano go właśnie tak?

Konstrukcja modułu PCM była wynikiem świadomych kompromisów między nowoczesnością, niezawodnością i surowymi wymogami misji kosmicznych. Inżynierowie stanęli przed kluczowymi dylematami, a ich decyzje zdefiniowały ostateczny kształt tego urządzenia.

2.1. Dyskrecja ponad integrację: dylemat układów scalonych.

Chociaż układy scalone (IC) były już dostępne i zostały wykorzystane w Komputerze Nawigacyjnym Apollo, firma Radiation Inc., podwykonawca modułu PCM, podjęła inną decyzję. Inżynierowie, nieufni wobec dostępności i niezawodności nowej technologii, zamiast postawić na nowatorskie układy scalone, zdecydowali się na użycie sprawdzonych modułów logicznych zbudowanych z dyskretnych komponentów (tranzystorów, rezystorów itp.).

Był to świadomy wybór podyktowany absolutnym priorytetem, jakim była niezawodność. Miało to jednak swoje konsekwencje: moduł był niezwykle ciężki, ważąc 20 kg, i zużywał 21 W mocy.

Co istotne, decyzja ta nie wynikała z braku zaawansowania technologicznego firmy. Istnieją dowody, że już w połowie lat 60. Radiation Inc. opracowała prototyp znacznie mniejszego urządzenia o nazwie "micro PCM", opartego na układach scalonych. Ważył on zaledwie 1,4 kg (3,1 funta) i zużywał 2,5 W mocy. To pokazuje, że wybór technologii dyskretnej dla misji Apollo był w pełni świadomą, konserwatywną decyzją inżynierską, mającą na celu maksymalizację niezawodności w misji, w której nie było miejsca na błędy.

2.2. Niezawodność ponad elastycznością: lutowanie zamiast złącz.

Początkowo projekt zakładał, że moduły elektroniczne będą montowane za pomocą złącz wielopinowych. Miało to umożliwić astronautom ich wymianę w trakcie lotu w razie awarii. Jednak szybko okazało się, że to rozwiązanie ma poważne wady:

Złącza negatywnie wpływały na niezawodność systemu, będąc potencjalnym źródłem usterek.
Zwiększały wagę całego modułu, co w misjach kosmicznych było kluczowym parametrem.

Decydującym momentem była katastrofa Apollo 1. Po tym tragicznym wydarzeniu fundamentalnie zmieniono filozofię projektową dla nowszej wersji statku (Block II). Wymóg napraw w locie został porzucony na rzecz hermetyczności i maksymalnej niezawodności. Ta zmiana umożliwiła wyeliminowanie problematycznych złącz i zastąpienie ich stałymi, znacznie pewniejszymi połączeniami lutowanymi. To pokazuje, jak brutalne realia lotów kosmicznych wpływały na każdy, nawet najmniejszy element statku.

3. Anatomia modułu: inżynieria przeciwko wibracjom i ograniczeniom miejsca.

Umieszczenie skomplikowanej elektroniki w rakiecie, która podczas startu generuje ogromne wibracje, było kolosalnym wyzwaniem. Inżynierowie z Radiation Inc. zastosowali kilka genialnych rozwiązań, aby zapewnić modułowi przetrwanie.

3.1. Konstrukcja "książkowa" i moduły "Cordwood".

Aby zmaksymalizować wykorzystanie ograniczonej przestrzeni, moduł miał unikalną, zwartą strukturę wewnętrzną. Płytki drukowane (PCB) z elektroniką były ułożone jedna na drugiej niczym "strony w książce".

Na samych płytkach zastosowano technikę montażu zwaną "cordwood". Polegała ona na umieszczaniu dyskretnych komponentów elektronicznych pionowo pomiędzy dwiema równoległymi płytkami PCB. Pozwalało to na osiągnięcie ekstremalnej gęstości upakowania, niemożliwej przy tradycyjnym montażu. Dbałość o szczegóły była zdumiewająca: na obudowach modułów wyfrezowano specjalne rowki, które idealnie pasowały do wystających pinów sąsiedniej płytki. Dzięki temu cała konstrukcja składała się bez marnowania choćby milimetra cennej przestrzeni – przykład absolutnej optymalizacji projektowej.

3.2. Pianka poliuretanowa: cichy Bohater walki z wibracjami.

Wszystkie moduły elektroniczne były zalewane (tzw. potting) miękką pianką poliuretanową. To proste rozwiązanie miało niezwykle ważny cel.

Głównym celem było zapobieganie akustycznemu wzmacnianiu wibracji przy częstotliwościach rezonansowych, co stanowiło realne zagrożenie dla delikatnej elektroniki.

Efekt był mierzalny i imponujący. Zastosowanie pianki zredukowało poziom wibracji w krytycznym zakresie od 200 do 500 Hz nawet pięciokrotnie, chroniąc kluczowe systemy statku przed uszkodzeniem. Od fizycznej budowy przejdźmy teraz do cyfrowego sygnału, który ten moduł generował.

4. Cyfrowy puls: jak moduł PCM komunikował się z Ziemią.

Strumień danych wysyłany przez moduł PCM miał precyzyjnie zdefiniowaną, hierarchiczną strukturę. W trybie wysokiej przepustowości (HBR) wyglądała ona następująco:

Cykl (Subframe): największa jednostka danych, powtarzająca się co 1 sekundę.
Ramka główna (Prime Frame): w każdym cyklu znajdowało się 50 takich ramek.
Słowo (Word): każda ramka główna składała się ze 128 słów, z których każde miało 8 bitów.

4.1. Wzór synchronizacji: znajdowanie początku w strumieniu danych.

Aby odbiornik na Ziemi mógł prawidłowo zinterpretować ciągły strumień bitów, musiał wiedzieć, gdzie dokładnie zaczyna się każda ramka. Do tego celu służył specjalny, 26-bitowy wzorzec synchronizacji (sync pattern), rozłożony na cztery pierwsze słowa każdej ramki. Pierwsze trzy słowa zawierały 24 bity wzorca, a dwa pierwsze bity czwartego słowa uzupełniały go do 26 bitów. Pozostałe 6 bitów czwartego słowa zawierało licznik ramek (od 1 do 50).

Słowo	Wartość binarna	Opis
Sync 1	`00000101`	Pierwsza część wzorca (bity 1-8)
Sync 2	`01111001`	Druga część wzorca (bity 9-16)
Sync 3	`10110111`	Trzecia część wzorca (bity 17-24)
Sync 4 / Frame Count	`11xxxxxx`	Dwa ostatnie bity wzorca (`11`) i 6-bitowy licznik ramek

W przeciwieństwie do nowoczesnych protokołów, ten wzorzec nie był "zabezpieczony" i teoretycznie mógł przypadkowo pojawić się w danych użytkowych. Inżynierowie uznali jednak, że jest na tyle długi i nietypowy, że prawdopodobieństwo fałszywej synchronizacji jest akceptowalnie niskie.

4.2. Kontrola jakości: słowa testowe SRC.

W strumieniu danych zaszyto prosty, ale skuteczny mechanizm kontroli poprawności działania telemetrii. Były to słowa testowe SRC 0 i SRC 1.

SRC 0 było słowem złożonym z samych zer (00000000).
SRC 1 było słowem złożonym z samych jedynek (11111111).

Pojawiały się one cyklicznie w określonych ramkach danych. Ich celem było sprawdzenie pełnego zakresu dynamiki przetworników analogowo-cyfrowych. Inżynierowie prawdopodobnie podawali na wejście przetworników napięcie poniżej zera i powyżej wartości maksymalnej (5V), oczekując w odpowiedzi wartości 0 i 255 (czyli samych zer i samych jedynek). Jeśli kontrolerzy na Ziemi odbierali te wartości poprawnie, mieli pewność, że cały system telemetrii działa prawidłowo.

5. Podsumowanie: inżynieryjne dziedzictwo modułu PCM.

Analiza modułu telemetrii PCM z misji Apollo dostarcza kilku kluczowych lekcji na temat inżynierii kosmicznej tamtej ery:

Pragmatyzm ponad nowością: wybór sprawdzonych, dyskretnych komponentów nad rewolucyjnymi układami scalonymi pokazuje, że dla inżynierów Apollo niezawodność była absolutnym priorytetem, ważniejszym niż miniaturyzacja czy innowacyjność za wszelką cenę.
Genialne rozwiązania problemów fizycznych: zastosowanie pianki poliuretanowej do tłumienia wibracji oraz rezygnacja ze złącz na rzecz połączeń lutowanych to przykłady mistrzowskiego radzenia sobie z brutalnymi realiami lotów kosmicznych, gdzie każdy gram i każdy decybel miał znaczenie.
Fundamenty ery cyfrowej: mimo swojej "konserwatywnej" budowy, moduł PCM był niezwykle zaawansowanym systemem cyfrowej komunikacji, który stanowił ważny krok w rozwoju telemetrii kosmicznej i położył podwaliny pod systemy, z których korzystamy do dziś.

Moduł telemetrii PCM był cichym, ale niezbędnym elementem, który umożliwił sukces programu Apollo. Pozostaje on trwałym świadectwem pomysłowości i pragmatyzmu inżynierów, którzy wysłali człowieka na Księżyc, mając do dyspozycji technologię, która dziś wydaje się niemal archaiczna.

Studium przypadku: inżynieria odwrotna systemu telemetrii PCM Apollo.

1.0 Wprowadzenie: wyzwanie odtworzenia historycznej technologii kosmicznej.

Projekt wskrzeszenia oryginalnego systemu komunikacyjnego programu Apollo to wieloletnia misja archeologii technologicznej, której celem jest przywrócenie do życia kluczowych urządzeń, które połączyły Ziemię z Księżycem. Po pomyślnym odtworzeniu łącza mikrofalowego, systemów głosowych, telewizyjnych, a nawet niezwykle złożonego łącza danych do statku (Up-data Link), zespół stanął przed kolejnym monumentalnym wyzwaniem. Wśród tych historycznych artefaktów, moduł telemetrii PCM (Pulse Code Modulation) wyróżnia się jako jeden z najbardziej złożonych i kluczowych elementów całego systemu, stanowiąc cyfrowe serce przesyłające setki parametrów statku do centrum kontroli misji.

Telemetria PCM była przełomowym postępem technologicznym w epoce zdominowanej przez analogowe systemy transmisji FM (modulacja częstotliwości). Przejście na modulację kodowo-pulsową oznaczało skok w erę cyfrową, oferując nieporównywalnie większą precyzję, odporność na zakłócenia i zdolność do przesyłania ogromnych ilości informacji. Moduł ten był w istocie zaawansowanym multiplekserem i konwerterem, który zamieniał setki różnorodnych sygnałów ze statku kosmicznego w jeden, uporządkowany strumień cyfrowy.

Celem niniejszego studium przypadku jest przeanalizowanie procesu inżynierii odwrotnej modułu telemetrii PCM Apollo jako modelowego przykładu rozwiązywania złożonych problemów technicznych przy skrajnie ograniczonej i częściowo niepewnej dokumentacji. Prześledzimy, jak zespół, łącząc analizę fizyczną, fragmentaryczne schematy i nowoczesne narzędzia, zdołał zrozumieć, uruchomić i zweryfikować działanie ponad pięćdziesięcioletniego, krytycznego dla misji kosmicznej urządzenia.

Analiza rozpocznie się od szczegółowego przyjrzenia się samemu modułowi, który stanowił centralny punkt tego ambitnego wyzwania inżynieryjnego.

2.0 Identyfikacja obiektu i wstępna analiza: moduł telemetrii PCM.

Każdy projekt inżynierii odwrotnej rozpoczyna się od fazy dogłębnej inspekcji fizycznej. Zanim podjęto jakiekolwiek próby uruchomienia modułu, kluczowe było zrozumienie jego konstrukcji, zastosowanych technologii oraz ogólnej filozofii projektowej. Ten etap, przypominający pracę konserwatora zabytków, pozwala na sformułowanie hipotez dotyczących działania systemu i identyfikację potencjalnych ryzyk związanych z podłączeniem zasilania do unikalnego, historycznego sprzętu.

2.1 Rola i specyfikacja modułu.

Fundamentalną funkcją modułu PCM w misjach Apollo było multipleksowanie, digitalizowanie i formatowanie danych telemetrycznych do transmisji na Ziemię. Liczba złączy na jego obudowie świadczy o głębokiej integracji z systemami całego statku kosmicznego. Jego zadaniem było przesyłanie:

365 sygnałów analogowych z czujników temperatury, ciśnienia, napięcia itp.
304 sygnałów cyfrowych (stanów on/off)
Strumienia danych z Komputera Nawigacyjnego Apollo (AGC)

Urządzenie charakteryzowało się imponującymi, jak na swoje czasy, parametrami wydajnościowymi. W trybie wysokiej przepływności (High Bit Rate) było w stanie transmitować dane z prędkością 51,2 kb/s z odległości księżycowej. Była to tak duża ilość danych, że naziemne stacje śledzące nie były w stanie przekazywać całego strumienia do Houston w czasie rzeczywistym.

2.2 Analiza konstrukcji fizycznej.

Szczegółowa inspekcja wnętrza modułu ujawniła szereg unikalnych cech konstrukcyjnych, które świadczyły zarówno o zaawansowaniu technologicznym, jak i o konserwatywnym podejściu do kwestii niezawodności.

Brak układów scalonych (IC): mimo że układy scalone były już dostępne i wykorzystywane w Komputerze Nawigacyjnym Apollo, producent modułu PCM, firma Radiation Inc., postawił na własne, sprawdzone moduły logiki zbudowane z komponentów dyskretnych. Decyzja ta wynikała z obaw o dostępność i niezawodność nowej, niedostatecznie jeszcze przetestowanej w warunkach kosmicznych technologii IC.
Konstrukcja "Cordwood": specjalistyczne moduły wykonano w technice "cordwood", w której komponenty dyskretne są umieszczane prostopadle, niczym warstwy kanapki, pomiędzy dwiema małymi płytkami drukowanymi. Technika ta pozwalała na osiągnięcie bardzo dużej gęstości upakowania.
Zalewanie modułów: każdy moduł logiki był zalewany miękką pianką poliuretanową. Jak odkryto w dokumencie z przeglądu projektowego, jej głównym celem było zapobieganie akustycznemu wzmacnianiu wibracji przy rezonansie. Rozwiązanie to redukowało poziom wibracji w zakresie 200-500 Hz nawet pięciokrotnie, chroniąc delikatne komponenty podczas startu.
Połączenia lutowane: w całej konstrukcji brak jest złączy wielopinowych. Była to świadoma decyzja projektowa podjęta po tragicznym pożarze Apollo 1. W jego następstwie zrezygnowano z wymogu możliwości napraw w locie na rzecz hermetyczności i maksymalnej niezawodności, co pozwoliło na eliminację mniej pewnych połączeń wtykowych.
Struktura "książkowa": poszczególne płytki PCB, na których montowano zalewane moduły, były łączone ze sobą wiązkami przewodów i składane niczym strony w książce. Tworzyło to niezwykle zwartą, ale jednocześnie bardzo ciężką konstrukcję o masie 20 kg.

Po dogłębnej analizie fizycznej, która ujawniła logikę stojącą za konstrukcją urządzenia, zespół mógł przejść do najtrudniejszego etapu: złamania cyfrowego serca systemu przy niemal całkowitym braku kompletnej dokumentacji.

3.0 Strategia inżynierii odwrotnej w warunkach niekompletnej dokumentacji.

Sukces w inżynierii odwrotnej rzadko jest wynikiem przypadku. Zależy on od metodycznego, wieloetapowego podejścia, które minimalizuje ryzyko i maksymalizuje szanse na zrozumienie badanego systemu. Strategia zespołu opierała się na trzech filarach: dekodowaniu protokołu komunikacyjnego na podstawie szczątkowych danych, budowie nowoczesnych narzędzi analitycznych oraz ostrożnym, weryfikowalnym procesie uruchomienia urządzenia.

3.1 Dekodowanie protokołu na podstawie schematów.

Kluczem do zrozumienia struktury danych okazał się odnaleziony schemat blokowy modułu PCM. Choć nie zawierał on pełnej implementacji, pozwolił na zrekonstruowanie podstawowej hierarchii strumienia telemetrycznego, która, co ciekawe, nosiła nieco mylące nazwy.

Cykl telemetryczny (subframe): najwyższy poziom struktury, powtarzający się co 1 sekundę. Jak zauważył zespół, NASA "dziwnie nazywa to podramką (subframe), chociaż nie jest ona niczym podrzędnym... Wygląda na to, że ich nazewnictwo jest odwrócone".
Ramka główna (prime frame): każdy cykl składał się z 50 ramek głównych.
Słowo (word): każda ramka główna składała się ze 128 słów, z których każde było 8-bitowym bajtem.

Analiza schematu pozwoliła zidentyfikować kluczowe elementy wewnątrz każdej ramki, niezbędne do synchronizacji i weryfikacji poprawności danych:

Wzór synchronizacyjny: unikalny, 26-bitowy wzorzec 00000101 01111001 10110111 11, rozłożony na pierwsze cztery słowa ramki. Jego zadaniem było umożliwienie dekoderowi odnalezienia początku każdej ramki w ciągłym strumieniu bitów.
Licznik ramek: ostatnie 6 bitów czwartego słowa zawierało numer ramki, cyklicznie zliczany od 1 do 50. Pozwalało to na śledzenie kolejności ramek w ramach jednego cyklu telemetrycznego.
Słowa testowe (SRC 0 i SRC 1): specjalne słowa umieszczone w ramce na pozycji 20. Słowo SRC 0 (wartość 0) pojawiało się co 5 ramek, począwszy od ramki nr 2. Słowo SRC 1 (wartość 255) pojawiało się co 5 ramek, począwszy od ramki nr 3. Był to wbudowany mechanizm diagnostyczny, pozwalający na bieżąco sprawdzać, czy system telemetrii działa poprawnie.

3.2 Budowa dedykowanego dekodera FPGA.

Analiza historycznego strumienia danych wymagała stworzenia nowoczesnego, dedykowanego narzędzia. Rolę tę przejął Mike Stewart, ekspert zespołu w dziedzinie programowalnych układów logicznych (FPGA), który wcześniej zbudował pełną replikę Komputera Nawigacyjnego Apollo w oparciu o układ FPGA. Stworzył on dekoder, którego zadaniem było przetwarzanie surowego sygnału z modułu PCM w czasie rzeczywistym. Dekoder został zaprogramowany do ciągłego wyszukiwania 26-bitowego wzorca synchronizacyjnego. Po jego znalezieniu, system dokonywał wyrównania bitowego i ramkowego, a następnie przekazywał uporządkowane, 128-bajtowe ramki do dalszej analizy na komputerze.

3.3 Metodyczne podejście do uruchomienia.

Najbardziej ryzykownym krokiem było pierwsze podłączenie zasilania, zwłaszcza że zespół nie darzył pełnym zaufaniem posiadanej dokumentacji. Doświadczenia z innymi komponentami, takimi jak transponder, gdzie rozpiska pinów w starych schematach okazała się w większości błędna, wymusiły skrajnie ostrożne podejście.

Wykorzystanie nieaktualnej dokumentacji: odnaleziony stary schemat dostarczył wstępnych wskazóvek co do lokalizacji pinów zasilających (115V, 400Hz, 3-fazowe).
Weryfikacja za pomocą pomiarów: zanim podłączono zasilanie, wykonano pomiary impedancji na zidentyfikowanych pinach. Pomiary potwierdziły, że piny te prowadzą do uzwojeń transformatora trójfazowego, co znacząco zwiększyło pewność co do ich prawidłowej identyfikacji.
Wykorzystanie wewnętrznego oscylatora: moduł PCM został zaprojektowany do pracy z sygnałami zegarowymi z zewnętrznego urządzenia (Central Timing Equipment - CTE). Posiadał jednak awaryjny, wewnętrzny oscylator. Zespół podjął strategiczną decyzję, aby polegać na tym mechanizmie, co pozwoliło uruchomić moduł bez konieczności symulowania złożonych sygnałów z CTE.

Dzięki połączeniu analizy starych schematów, nowoczesnych narzędzi FPGA i ostrożnych pomiarów weryfikacyjnych, zespół był gotowy do przeprowadzenia pierwszej, kluczowej próby uruchomienia historycznego systemu.

4.0 Weryfikacja i pierwsze sukcesy: uruchomienie i walidacja sygnału.

Moment pierwszego uruchomienia był kulminacyjnym punktem dotychczasowych prac. Stanowił on ostateczny test poprawności przyjętej strategii inżynierii odwrotnej oraz sprawności samego, ponad 50-letniego urządzenia. Napięcie w zespole było ogromne, ale metodyczne przygotowania dawały solidne podstawy do optymizmu.

4.1 Przebieg pierwszego testu.

Konfiguracja testowa była logicznym następstwem wcześniejszych przygotowań i została zrealizowana w następujących krokach:

Zasilanie trójfazowe 115V/400Hz zostało podłączone do zidentyfikowanych i zweryfikowanych pinów modułu.
Sygnał wyjściowy został pobrany ze złącza koncentrycznego J18, które na podstawie analizy fizycznej zidentyfikowano jako port wyjściowy danych.
Surowy sygnał cyfrowy został przekazany bezpośrednio do dekodera opartego na układzie FPGA, który w czasie rzeczywistym dokonywał synchronizacji bitowej i ramkowej.
Wyrównane i uporządkowane ramki danych były przesyłane z FPGA do laptopa, gdzie dedykowany skrypt w języku Python dokonywał dalszej analizy i wizualizacji wyników.

4.2 Analiza wyników i potwierdzenie sukcesu.

Już pierwsze odczyty potwierdziły, że przyjęta strategia była prawidłowa, a moduł PCM ożył. Wszystkie kluczowe wskaźniki, zidentyfikowane na etapie analizy schematów, zgadzały się z oczekiwaniami.

Oczekiwany rezultat	Rzeczywisty wynik
Dekoder FPGA zablokuje się na wzorcu synchronizacyjnym.	Potwierdzone: system poprawnie identyfikował początek każdej z 50 ramek na sekundę.
Licznik ramek będzie inkrementował od 1 do 50.	Potwierdzone: wizualizacja danych pokazała cykliczne zliczanie ramek, co potwierdziło integralność struktury strumienia.
Słowa testowe SRC 0 i SRC 1 będą miały wartości 0 i 255.	Potwierdzone: odczyty w odpowiednich ramkach zgadzały się z dokumentacją, co stanowiło kluczowy test poprawności działania wewnętrznych obwodów modułu.

4.3 Rozwiązywanie problemów w czasie rzeczywistym.

Podczas testu pojawił się problem z niską jakością sygnału wyjściowego. Zamiast czystych, prostokątnych impulsów, oscyloskop pokazywał zaszumiony i niestabilny przebieg. Zespół szybko zdiagnozował, że przyczyną nie była usterka w module Apollo, lecz niestabilne połączenie w prowizorycznym złączu testowym zbudowanym przez zespół. Po poprawieniu połączenia sygnał natychmiast odzyskał idealną jakość. Ten drobny incydent doskonale ilustruje znaczenie iteracyjnego podejścia i zdolności do szybkiej diagnostyki problemów we własnej konfiguracji testowej.

Pierwszy test zakończył się bezdyskusyjnym sukcesem. Potwierdził on nie tylko pełną sprawność historycznego sprzętu, ale także skuteczność opracowanej metodyki inżynierii odwrotnej, otwierając tym samym drogę do dalszych, bardziej zaawansowanych prac.

5.0 Wnioski: kluczowe lekcje z projektu.

Projekt odtworzenia systemu telemetrii PCM Apollo jest czymś więcej niż tylko technicznym osiągnięciem. Stanowi on źródło ponadczasowych lekcji na temat inżynierii, innowacji i znaczenia pracy zespołowej w pokonywaniu złożonych wyzwań. Analiza tego przedsięwzięcia pozwala sformułować kilka kluczowych wniosków.

Wartość interdyscyplinarnej współpracy: sukces projektu był bezpośrednim wynikiem synergii unikalnych umiejętności członków zespołu. Dogłębna wiedza o historycznej elektronice (Marc, Ken, Eric) pozwoliła na bezpieczną analizę fizyczną i sformułowanie hipotez. Specjalistyczna ekspertyza w dziedzinie układów FPGA (Mike) umożliwiła stworzenie nowoczesnego narzędzia do dekodowania danych. Z kolei umiejętności programistyczne (skrypt w języku Python) pozwoliły na szybką analizę i wizualizację wyników. Żadna z tych kompetencji w pojedynkę nie doprowadziłaby do pomyślnego uruchomienia modułu.
Skuteczność metodycznego podejścia: projekt zademonstrował modelowe podejście do inżynierii odwrotnej w warunkach niepewności. Proces ten można streścić w następujących krokach: rozpocznij od dogłębnej analizy fizycznej, aby zrozumieć filozofię konstrukcji. Wykorzystaj wszelkie, nawet fragmentaryczne, strzępy dokumentacji do budowy wstępnych hipotez. Zawsze weryfikuj te hipotezy za pomocą obiektywnych pomiarów, zanim podejmiesz ryzykowne działania. Na koniec, buduj nowoczesne narzędzia, które pozwolą efektywnie analizować dane ze starego systemu.
Znaczenie zachowania dziedzictwa technologicznego: odtwarzanie historycznych systemów, takich jak elektronika Apollo, nie jest jedynie nostalgicznym czy akademickim ćwiczeniem. Jest to kluczowy sposób na zachowanie bezcennej wiedzy inżynieryjnej, która w przeciwnym razie mogłaby zostać utracona. Zrozumienie, jak inżynierowie radzili sobie z ograniczeniami technologicznymi swojej epoki, dostarcza niezwykle cennych lekcji na temat kreatywności, niezawodności i optymalizacji. Takie projekty stanowią namacalne świadectwo ludzkich osiągnięć i są potężnym źródłem inspiracji dla przyszłych pokoleń inżynierów i odkrywców.

Raport techniczny: odtworzenie i dekodowanie systemu telemetrii PCM Apollo.

1.0 Wprowadzenie.

Niniejszy raport stanowi dokumentację techniczną projektu odtworzenia systemu telemetrii PCM (Pulse Code Modulation), będącego kluczowym elementem w ramach szerszej inicjatywy rekonstrukcji całego systemu komunikacyjnego statku kosmicznego Apollo. System telemetrii PCM pełnił strategiczną rolę jako podstawowy cyfrowy kanał danych, dostarczając w czasie rzeczywistym krytyczne informacje o stanie technicznym statku do centrum kontroli misji w Houston. Jego niezawodne działanie było fundamentem bezpieczeństwa załogi i powodzenia programu Apollo. Głównym celem tego dokumentu jest szczegółowe przedstawienie procesu analizy, uruchomienia oraz dekodowania sygnału generowanego przez oryginalny, historyczny moduł telemetryczny.

1.1 Cel i zakres dokumentu.

Celem niniejszego dokumentu jest szczegółowe przedstawienie metodologii, napotkanych wyzwań oraz wyników uzyskanych podczas pierwszych, fundamentalnych etapów reaktywacji modułu telemetrycznego PCM. Zakres raportu obejmuje następujące obszary:

Analizę konstrukcji sprzętowej i filozofii projektowej urządzenia.
Szczegółowe badanie struktury strumienia danych telemetrycznych.
Opis architektury i wdrożenia nowoczesnego systemu dekodującego.
Weryfikację podstawowej funkcjonalności systemu na podstawie pierwszych uruchomień.

1.2 Znaczenie systemu PCM w misjach Apollo.

System telemetrii PCM statku Apollo reprezentował szczytowe osiągnięcie technologii cyfrowej lat 60. XX wieku. W trybie wysokiej przepływności (High Bit Rate - HBR) był zdolny do transmisji danych z prędkością 51,2 kb/s na odległość księżycową, co było wynikiem bezprecedensowym. Przepływność ta była tak duża, że naziemne stacje śledzące nie były w stanie przekazywać całości danych do Houston w czasie rzeczywistym. Kontrola misji wybierała podzbiór kluczowych informacji, na tyle mały, aby mógł być transmitowany na żywo przez dzierżawione linie telefoniczne za pomocą najnowocześniejszych wówczas modemów Bell 201B o prędkości 2400 bitów na sekundę. Ten kontrast doskonale ilustruje, jak zaawansowany był system PCM w stosunku do ówczesnych możliwości telekomunikacyjnych. System agregował i przesyłał 365 sygnałów analogowych, 304 sygnały cyfrowe oraz dane z komputera pokładowego (Apollo Guidance Computer). Informacje te, obejmujące parametry od ciśnienia w zbiornikach po stan przełączników w kabinie, były wyświetlane na monitorach w centrum kontroli misji, dając inżynierom i kontrolerom lotu kompleksowy wgląd w stan techniczny statku. Precyzja i bogactwo tych danych miały decydujące znaczenie dla podejmowania kluczowych decyzji, zapewnienia bezpieczeństwa astronautów i ostatecznego sukcesu misji. Zrozumienie sposobu, w jaki to zaawansowane urządzenie zostało zaprojektowane i skonstruowane, było pierwszym krokiem na drodze do jego ponownego uruchomienia.

2.0 Charakterystyka techniczna modułu telemetrycznego PCM.

Zrozumienie fizycznej i logicznej konstrukcji modułu PCM było fundamentalnym krokiem przed podjęciem jakichkolwiek prób jego uruchomienia. Inżynierowie lat 60. stanęli przed unikalnymi wyzwaniami, a ich rozwiązania, choć dziś mogą wydawać się niekonwencjonalne, świadczą o głębokiej wiedzy i dbałości o niezawodność. Ta sekcja szczegółowo analizuje unikalne cechy sprzętowe urządzenia, które odzwierciedlają filozofię projektową i ograniczenia technologiczne tamtej epoki.

2.1 Identyfikacja i specyfikacja urządzenia.

Poniższa tabela zestawia kluczowe parametry techniczne modułu telemetrycznego PCM, zidentyfikowane na podstawie analizy urządzenia oraz dostępnej dokumentacji.

Parametr	Wartość
Producent:	Radiation Inc. (Melbourne, Floryda)
Przeznaczenie:	Telemetria cyfrowa (dane ze statku na Ziemię)
Masa:	20 kg (44 funty)
Pobór Mocy:	21 W
Maksymalna szybkość transmisji (HBR):	51,2 kb/s
Liczba przesyłanych sygnałów analogowych:	365
Liczba przesyłanych sygnałów cyfrowych:	304

2.2 Analiza konstrukcji wewnętrznej.

Architektura wewnętrzna modułu PCM jest świadectwem dążenia do maksymalnej niezawodności i gęstości upakowania przy użyciu dostępnych wówczas technologii.

Technologia Komponentów: w przeciwieństwie do komputera pokładowego Apollo, który wykorzystywał nowatorskie układy scalone (IC), firma Radiation Inc. podjęła konserwatywną decyzję o zbudowaniu całego systemu w oparciu o logikę opartą na komponentach dyskretnych. Decyzja ta wynikała z obaw dotyczących dostępności i, co najważniejsze, niezawodności wczesnych układów scalonych.
Budowa Modułowa: zastosowano unikalną technikę montażu "cordwood", w której komponenty dyskretne były umieszczane pionowo pomiędzy dwiema małymi płytkami drukowanymi. Całość była następnie hermetyzowana (zalewana) w celu stworzenia kompaktowych, wytrzymałych modułów logicznych.
Rozwiązania Mechaniczne: w celu tłumienia wibracji, które mogłyby uszkodzić ciężkie moduły na dużych płytach PCB, zastosowano miękką piankę poliuretanową do zalewania modułów. Rozwiązanie to pozwoliło zredukować poziom wibracji w zakresie od 200 do 500 Hz nawet pięciokrotnie. Całość została zmontowana w strukturze przypominającej książkę ("book-like structure"), a w samych modułach wykonano precyzyjne wycięcia, aby umożliwić gęste upakowanie i idealne dopasowanie sąsiadujących płytek.
Połączenia wewnętrzne: pierwotne projekty zakładały użycie złącz wielopinowych, aby umożliwić astronautom wymianę modułów w trakcie lotu. Jednak po tragicznym pożarze Apollo 1, gdy wymóg napraw w locie został zniesiony na rzecz hermetyczności, zrezygnowano ze złącz. Uznano, że połączenia lutowane bezpośrednio do płyt są znacznie bardziej niezawodne, lżejsze i lepiej znoszą wibracje. Ta zmiana filozofii projektowej jest doskonale widoczna w konstrukcji modułu, gdzie wszystkie połączenia wewnętrzne są permanentne. Fizyczna budowa urządzenia jest nierozerwalnie związana z logiką generowanego przez nie sygnału.

3.0 Analiza struktury strumienia danych telemetrycznych.

Zrozumienie formatu danych było absolutnie kluczowe dla powodzenia projektu. Bez dogłębnej analizy struktury strumienia PCM niemożliwe byłoby zbudowanie funkcjonalnego dekodera zdolnego do poprawnej interpretacji przesyłanych informacji. Analiza oparta na dostępnej, choć często niejednoznacznej, dokumentacji technicznej pozwoliła na rozłożenie na czynniki pierwsze hierarchii i zawartości danych telemetrycznych, co stało się fundamentem dla dalszych prac implementacyjnych.

3.1 Hierarchia i taktowanie danych.

Strumień danych w trybie wysokiej przepływności (HBR) ma ściśle zdefiniowaną, hierarchiczną strukturę opartą na precyzyjnym taktowaniu.

Cykl: jest to podstawowa, nadrzędna struktura danych, która powtarza się cyklicznie co jedną sekundę. Warto odnotować, że w nomenklaturze NASA strukturę tę, w sposób mało intuicyjny, określano mianem subframe (podramki).
Ramka pierwotna (prime frame): cykl składa się z 50 mniejszych jednostek danych, nazywanych ramkami pierwotnymi. W każdej sekundzie przesyłanych jest dokładnie 50 takich ramek.
Słowo (word): każda ramka pierwotna zbudowana jest ze słów, które są podstawową jednostką informacji. W systemie Apollo słowo jest tożsame ze standardowym 8-bitowym bajtem.

3.2 Struktura ramki pierwotnej.

Pojedyncza ramka pierwotna (prime frame) jest podstawową jednostką, którą należy zdekodować, aby uzyskać dostęp do użytecznych danych. Składa się ona ze 128 ośmiobitowych słów (bajtów).

3.3 Mechanizm synchronizacji i identyfikacji ramek.

Aby odbiornik naziemny mógł poprawnie zinterpretować ciągły strumień bitów, musi on najpierw zidentyfikować początek każdej ramki. W tym celu zastosowano dedykowany mechanizm synchronizacji.

Wzorzec synchronizacyjny: pierwsze cztery słowa każdej ramki zawierają stały, 26-bitowy wzorzec synchronizacyjny: 00000101 01111001 10110111 11. Jego zadaniem jest jednoznaczna identyfikacja początku każdej ze 128-bajtowych ramek w strumieniu danych.
Brak gwarancji unikalności: w przeciwieństwie do nowoczesnych protokołów komunikacyjnych, system Apollo nie gwarantował, że wzorzec synchronizacyjny nie pojawi się przypadkowo w danych użytkowych. Projektanci założyli jednak, że nietypowa i długa na 26 bitów sekwencja zminimalizuje prawdopodobieństwo fałszywej synchronizacji do akceptowalnego poziomu.
Licznik ramek: pozostałe 6 bitów w czwartym słowie ramki (po 26-bitowym wzorcu) jest wykorzystywane jako licznik ramek. Zlicza on cyklicznie od 1 do 50, pozwalając odbiornikowi na identyfikację konkretnej ramki w obrębie sekundowego cyklu.

3.4 Słowa kontrolne systemu (SRC).

W słowie o numerze 20 w strukturze ramki umieszczono specjalne wartości kontrolne, znane jako SRC (Scale Range Check). Służyły one do bieżącej weryfikacji poprawności działania kluczowych komponentów toru sygnałowego.

SRC 0: słowo zawierające same zera (wartość 00000000). Pojawia się ono cyklicznie co 5 ramek, począwszy od ramki o numerze 2 (tj. w ramkach 2, 7, 12, ...).
SRC 1: słowo zawierające same jedynki (wartość 11111111). Pojawia się ono cyklicznie co 5 ramek, począwszy od ramki o numerze 3 (tj. w ramkach 3, 8, 13, ...).

Obecność tych z góry zdefiniowanych wartości pozwalała systemom naziemnym na ciągłe monitorowanie poprawności działania przetwornika analogowo-cyfrowego i całego toru telemetrycznego. Weryfikacja obecności i poprawności tych słów stała się kluczowym celem pierwszych testów, pozwalającym na szybką ocenę sprawności całego toru sygnałowego.

4.0 Metodologia uruchomienia i dekodowania.

Przyjęta strategia projektowa była bezpośrednią odpowiedzią na zidentyfikowane wyzwania techniczne i braki w dokumentacji. Konieczne było zarówno odtworzenie logiki działania systemu, jak i zbudowanie od podstaw całego środowiska testowego. Sekcja ta opisuje praktyczne kroki podjęte w celu uruchomienia modułu PCM – od identyfikacji kluczowych połączeń zasilających i sygnałowych, po architekturę stworzonego na potrzeby projektu dedykowanego systemu dekodującego.

4.1 Główne wyzwania projektowe.

Proces reaktywacji modułu PCM napotkał dwa fundamentalne problemy, które musiały zostać rozwiązane, zanim możliwe było podjęcie próby uruchomienia.

Brak dokumentacji wyprowadzeń (pinout): urządzenie posiada dużą liczbę złącz wielopinowych, a przeznaczenie poszczególnych pinów nie było znane. Identyfikacja kluczowych sygnałów, takich jak zasilanie czy wyjście danych, wymagała starannej analizy i dedukcji.
Brak oryginalnego sprzętu dekodującego: oryginalne systemy naziemne, które w latach 60. zajmowały całe pomieszczenia, były niedostępne. Wymusiło to konieczność zaprojektowania i zbudowania od podstaw nowoczesnego, kompaktowego rozwiązania zdolnego do dekodowania strumienia PCM w czasie rzeczywistym.

4.2 Architektura systemu dekodującego.

W odpowiedzi na potrzebę posiadania dedykowanego dekodera, Mike Stewart opracował autorski system oparty na dwustopniowej architekturze, łączącej wydajność sprzętową z elastycznością oprogramowania.

Moduł FPGA: sercem systemu jest układ FPGA (Field-Programmable Gate Array), który odpowiada za najcięższe obliczeniowo zadania realizowane w czasie rzeczywistym. Jego główną rolą jest ciągłe przeszukiwanie przychodzącego strumienia bitów w celu detekcji 26-bitowego wzorca synchronizacyjnego. Po znalezieniu wzorca, FPGA wyrównuje strumień danych do granic bajtów i przesyła go dalej do analizy.
Oprogramowanie w języku Python: wyrównane dane bajtowe są odbierane z FPGA poprzez interfejs UART przez skrypt napisany w języku Python. Oprogramowanie to realizuje logikę wyższego poziomu: ponownie wyszukuje wzorzec w celu ostatecznej identyfikacji ramek, dekoduje poszczególne pola (takie jak licznik ramek czy słowa kontrolne SRC) oraz przesyła zinterpretowane dane do serwera telemetrycznego, który umożliwia ich wizualizację i dalszą analizę.

4.3 Procedura pierwszego uruchomienia.

Pierwsze uruchomienie modułu PCM przeprowadzono według starannie zaplanowanej procedury, minimalizującej ryzyko uszkodzenia unikalnego sprzętu.

Identyfikacja zasilania: na podstawie starszej, nie w pełni wiarygodnej dokumentacji, zidentyfikowano piny trójfazowego zasilania 115V 400Hz. Ich funkcję potwierdzono poprzez pomiary impedancji, które wykazały połączenie z wewnętrznym transformatorem trójfazowym.
Identyfikacja wyjścia sygnału: wyjście głównego sygnału telemetrycznego zidentyfikowano na łatwo rozpoznawalnym złączu koncentrycznym o oznaczeniu J18.
Wykorzystanie oscylatora awaryjnego: podjęto strategiczną decyzję o uruchomieniu modułu w trybie autonomicznym. Nie podłączono zewnętrznego zegara z modułu CTE (Central Timing Equipment), co zgodnie z logiką projektową zmusiło urządzenie do wykrycia awarii sygnału zegarowego, przełączenia się na wewnętrzny oscylator awaryjny i rozpoczęcia samodzielnej transmisji danych.

Ta przemyślana sekwencja działań umożliwiła bezpieczne uruchomienie modułu i pozyskanie pierwszego strumienia danych do analizy.

5.0 Wyniki testów i weryfikacja działania.

Pierwsze uruchomienie zakończyło się pełnym sukcesem i pozwoliło na weryfikację fundamentalnych założeń dotyczących zarówno działania oryginalnego sprzętu, jak i poprawności zbudowanego od podstaw systemu dekodującego. Analiza danych potwierdziła, że moduł PCM, pomimo kilkudziesięciu lat bez zasilania, zachował swoją podstawową sprawność. Poniższe podpunkty szczegółowo dokumentują uzyskane wyniki i kluczowe obserwacje z pierwszych testów.

5.1 Potwierdzenie synchronizacji strumienia i zliczania ramek.

Opracowany dekoder oparty na FPGA był w stanie natychmiastowo i poprawnie zsynchronizować się ze strumieniem danych, bezbłędnie identyfikując 26-bitowy wzorzec synchronizacyjny na początku każdej ramki. Analiza zdekodowanych danych potwierdziła również w pełni poprawne działanie 6-bitowego licznika ramek, który cyklicznie inkrementował swoją wartość od 1 do 50, zgodnie z oczekiwaniami.

5.2 Weryfikacja słów kontrolnych SRC.

Analiza słów kontrolnych SRC stanowiła kluczowy test poprawności działania wewnętrznych obwodów modułu. Dekoder poprawnie odczytał wartości 0 dla słów SRC 0 oraz 255 dla słów SRC 1 w odpowiednich ramkach. Wynik ten stanowił pozytywną weryfikację działania kluczowych elementów toru przetwarzania sygnału, w tym przetwornika analogowo-cyfrowego w module PCM.

5.3 Analiza jakości sygnału wyjściowego.

Jakość obserwowanego na oscyloskopie sygnału cyfrowego była początkowo niska. Problem został szybko zdiagnozowany jako niestabilne połączenie w oprzyrządowaniu testowym, a po jego poprawieniu sygnał stał się czysty i stabilny. Dodatkową obserwacją było zachowanie niepodłączonych (pływających) wejść analogowych. Generowały one na wyjściu kod binarny 11110, co odpowiadało wysokiemu napięciu wejściowemu, ale nie idealnej wartości maksymalnej (11111). Zgodnie z dokumentacją, kod ten jest generowany dla wszystkich napięć wejściowych przekraczających 4,95 V, co w pełni wyjaśnia zaobserwowane zjawisko. Pomyślna weryfikacja tych fundamentalnych elementów działania systemu stanowiła ważny kamień milowy projektu.

6.0 Podsumowanie i dalsze kroki.

Przeprowadzone prace, udokumentowane w niniejszym raporcie, stanowią znaczący postęp w projekcie rekonstrukcji systemu komunikacyjnego Apollo. Udało się pomyślnie uruchomić oryginalny, historyczny moduł telemetryczny Apollo PCM. Zbudowany od podstaw, dwustopniowy system dekodujący potwierdził jego podstawową sprawność operacyjną poprzez poprawną interpretację struktury ramki, mechanizmu licznika oraz wbudowanych słów kontrolnych.

6.1 Główne osiągnięcia.

Do najważniejszych osiągnięć tej fazy projektu należą:

Pomyślne uruchomienie modułu PCM w trybie autonomicznym, z wykorzystaniem wewnętrznego oscylatora awaryjnego.
Zaprojektowanie, wdrożenie i skuteczne wykorzystanie dwustopniowego systemu dekodującego, opartego na architekturze FPGA i oprogramowaniu w języku Python.
Praktyczna weryfikacja historycznej dokumentacji dotyczącej struktury danych telemetrycznych, w tym wzorca synchronizacyjnego, licznika ramek i słów kontrolnych SRC.

6.2 Planowane dalsze prace.

Sukces pierwszych testów otwiera drogę do dalszych, bardziej zaawansowanych prac nad pełną integracją i analizą systemu PCM. Zidentyfikowano następujące kluczowe zadania na przyszłość:

Opracowanie metodyki systematycznej identyfikacji wyprowadzeń dla setek sygnałów wejściowych (analogowych i cyfrowych).
Analiza zaawansowanych obwodów wewnętrznych, w tym unikalnego multipleksera analogowego opartego na logice rdzeniowej oraz rzadko spotykanym półprzewodniku znanym jako INCH.
Integracja modułu PCM z odtworzonym systemem komunikacyjnym statku w celu przeprowadzenia kompleksowych testów transmisji radiowej.
Zbudowanie improwizowanego demodulatora PSK (Phase-Shift Keying) w celu umożliwienia odbioru i dekodowania sygnału po stronie naziemnej, symulując pełny tor komunikacyjny misji Apollo.