一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证方法及系统与流程

1.本发明属于卫星任务仿真领域，具体涉及一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证方法及系统。


背景技术：

2.随着发射任务越来越密集、发射周期越来越短、发射成本越来越低廉，卫星入轨后需要地面管控系统快速制定计划、生成指令并上注卫星执行，因此，如何保证地面管控系统制定的卫星工作计划正确无误，确保卫星系统安全成为了亟需解决的问题。
3.目前，现有技术普遍采用的方法是，在卫星出厂前，地面管控系统根据卫星方提供的遥控、遥测、数传等使用文件预先编排若干指令序列，在卫星厂房进行特定任务场景下的指令对接工作，可以比对双方指令的一致性。但是，该类方法不能遍历所有任务场景，在轨执行任务时，任务场景往往随用户需求变化而增加。另一方面，现场的指令对接并不能验证最终的卫星状态，卫星方往往在对接过后甚至发射前更改卫星状态，由于发射窗口紧张导致地面管控系统生成的卫星工作计划无法得到及时验证。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证方法及系统，能够为地面管控系统提供一种快速、高效的卫星工作计划验证技术，通过超实时仿真将地面管控系统生成的卫星工作计划上注卫星前，在地面快速进行仿真验证，保证了卫星工作计划在轨执行结果与地面仿真验证结果一致，从而实现卫星在轨任务执行状态天地一致。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证方法，包括以下步骤：步骤1，接收不同任务需求并进行需求汇总，生成仿真请求文件；步骤2，根据仿真请求文件进行任务筹划，生成任务筹划结果；步骤3，根据任务筹划结果的类型以及仿真速率进行各类任务超实时仿真，仿真类型包括卫星轨道动力学仿真、遥控注数仿真、遥测状态仿真；步骤4，仿真结束后，输出超实时仿真验证结果并存入仿真数据库，如果满足任务要求，则超实时仿真流程结束，否则输出违反约束信息。
6.进一步地，步骤1的具体方式为：外层调用服务通过http协议发送仿真请求消息；检测到输入请求后，对http消息进行合法性检查，并对http消息携带的数据进行解析，检查解析数据的合法性，如果数据格式或数据内容不合法，则数据管理总线向外层调用服务发送相应的错误码；如果数据格式合法，则数据管理总线汇总收到的各类需求并生成仿真请求文件。
7.进一步地，步骤2的具体方式为：
读取配置文件，获取ip地址、端口号配置信息；对仿真请求文件进行解析；针对不同类型的仿真请求，分别执行以下步骤：a）对于姿轨控仿真请求，根据卫星当前轨道信息，考虑推力约束、距离约束，以时间、燃料、变轨次数为优化目标，生成卫星姿轨控策略，包括卫星脉冲控制时刻
△
_time、速度增量
△
_v、点火时长
△
_tc、推进剂消耗量
△
_m、推力
△
_isp、比冲
△
_force、推力方向
△
_thru_dir、推力分支
△
_thru_bra、点火时刻
△
_ton；b）对于卫星载荷任务需求，获取任务开始时间starttime、任务结束时间endtime，并获取任务区间内地面接收站资源、测控资源，根据资源情况进行任务筹划，生成规划方案，包括卫星工作计划、数据接收计划、测控计划；将卫星工作计划、数据接收计划进行融合，生成卫星载荷控制计划，融合规则为：分别对卫星工作计划、数据接收计划队列按开始时间从小到大进行排序，将排序后最早的动作加入到空的载荷控制计划中，依次添加剩余其他动作并判断载荷控制计划中已有动作开始时间，如果要插入动作开始时间早于当前载荷控制计划中动作开始时间，则将要插入动作插入到当前载荷控制计划动作之前，否则插入到当前载荷控制计划动作之后，从而形成以时间顺序从小到大排序的载荷控制计划；将生成的卫星载荷控制计划根据卫星指令模板，加工生成卫星能够识别的二进制遥控注数包。
8.进一步地，步骤3的具体方式为：对于卫星轨道动力学仿真，根据轨道任务类型，考虑推力约束、距离约束，以时间、燃料或变轨次数为优化目标，对卫星姿轨控策略进行验证，验证轨道机动策略的可信性；对于遥控注数仿真，解析遥控注数包，包括星上各单机载荷指令序列，按执行时间先后顺序对遥控注数包的指令序列进行排序；然后，通过全数字仿真方式，在地面以时间顺序仿真验证指令序列中的每条指令在星上执行过程的结果是否正确；对于遥测状态仿真，根据遥控注数仿真中星上各单机载荷指令的执行过程，同步实时显示每条指令的执行结果，并以遥测源码形式实时显示。
9.进一步地，步骤3基于超实时仿真模块实现，所述超实时仿真模块包括虚拟目标机、分布式数据总线、遥控注数服务、遥测状态监视服务；所述虚拟目标机是由虚拟内核和虚拟外围芯片构成的仿真嵌入式计算机系统；所述虚拟内核是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式内核，用于实现对寄存器、存储器以及指令集的仿真，并在宿主计算机上执行指令集；所述虚拟外围芯片是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式系统外围芯片，包括虚拟串口、ad转换、1553接口；所述分布式数据总线用于提供数据分发服务和系统协同仿真；所述遥控注数服务用于模拟遥控注数组包与注入；所述遥测状态监视服务用于模拟遥测源码显示。
10.一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证系统，包括数据管理总线、任务筹划模块、超实时仿真模块、仿真数据库；所述数据管理总线用于接收不同任务需求并进行需求汇总，生成仿真请求文件；所述任务筹划模块根据数据管理总线发来的仿真请求文件进行任务筹划，生成任务筹划结果；
所述超实时仿真模块接收任务筹划模块发来的任务筹划结果，根据任务筹划结果的类型以及仿真速率进行各类任务超实时仿真，仿真类型包括卫星轨道动力学仿真、遥控注数仿真、遥测状态仿真；仿真结束后，超实时仿真模块输出超实时仿真验证结果并存入仿真数据库，如果满足任务要求，则超实时仿真流程结束，否则输出违反约束信息；其中，超实时仿真模块包括虚拟目标机、分布式数据总线、遥控注数服务、遥测状态监视服务；所述虚拟目标机是由虚拟内核和虚拟外围芯片构成的仿真嵌入式计算机系统；所述虚拟内核是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式内核，用于实现对寄存器、存储器以及指令集的仿真，并在宿主计算机上执行指令集；所述虚拟外围芯片是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式系统外围芯片，包括虚拟串口、ad转换、1553接口；所述分布式数据总线用于提供数据分发服务和系统协同仿真；所述遥控注数服务用于模拟遥控注数组包与注入；所述遥测状态监视服务用于模拟遥测源码显示。
11.进一步地，外层调用服务通过http协议向天地平行地面任务验证系统发送仿真请求消息，所述数据管理总线检测到输入请求后，对http消息进行合法性检查，并对http消息携带的数据进行解析，检查解析数据的合法性，如果数据格式或数据内容不合法，则数据管理总线向外层调用服务发送相应的错误码；如果数据格式合法，则数据管理总线汇总收到的各类需求并生成符合任务筹划模块输入要求的仿真请求文件。
12.进一步地，所述任务筹划模块的具体工作方式如下：读取配置文件，获取ip地址、端口号配置信息，与所述数据管理总线建立服务连接；接收数据管理总线发来的仿真请求文件，并对其进行解析；针对不同类型的仿真请求，分别执行以下步骤：a）对于姿轨控仿真请求，根据卫星当前轨道信息，考虑推力约束、距离约束，以时间、燃料、变轨次数为优化目标，生成卫星姿轨控策略，包括卫星脉冲控制时刻
△
_time、速度增量
△
_v、点火时长
△
_tc、推进剂消耗量
△
_m、推力
△
_isp、比冲
△
_force、推力方向
△
_thru_dir、推力分支
△
_thru_bra、点火时刻
△
_ton；b）对于卫星载荷任务需求，获取任务开始时间starttime、任务结束时间endtime，并获取任务区间内地面接收站资源、测控资源，根据资源情况进行任务筹划，生成规划方案，包括卫星工作计划、数据接收计划、测控计划；将卫星工作计划、数据接收计划进行融合，生成卫星载荷控制计划，融合规则为：分别对卫星工作计划、数据接收计划队列按开始时间从小到大进行排序，将排序后最早的动作加入到空的载荷控制计划中，依次添加剩余其他动作并判断载荷控制计划中已有动作开始时间，如果要插入动作开始时间早于当前载荷控制计划中动作开始时间，则将要插入动作插入到当前载荷控制计划动作之前，否则插入到当前载荷控制计划动作之后，从而形成以时间顺序从小到大排序的载荷控制计划；将生成的卫星载荷控制计划根据卫星指令模板，加工生成卫星能够识别的二进制遥控注数包。
13.进一步地，所述超实时仿真模块的工作方式如下：
对于卫星轨道动力学仿真，根据轨道任务类型，考虑推力约束、距离约束，以时间、燃料或变轨次数为优化目标，对所述任务筹划模块生成的所述卫星姿轨控策略进行验证，验证轨道机动策略的可信性；对于遥控注数仿真，解析所述任务筹划模块生成的所述遥控注数包，包括星上各单机载荷指令序列，按执行时间先后顺序对遥控注数包的指令序列进行排序；然后，通过全数字仿真方式，在地面以时间顺序仿真验证指令序列中的每条指令在星上执行过程的结果是否正确；对于遥测状态仿真，根据遥控注数仿真中星上各单机载荷指令的执行过程，同步实时显示每条指令的执行结果，并以遥测源码形式实时显示。
14.本发明相比现有技术具有如下优点：1、本发明采用超实时仿真，通过完全仿真嵌入式目标机处理器指令运算逻辑，提供了一个虚拟仿真运行平台，该平台可接受上层服务传入消息，运行指定的目标程序，并保证程序运行结果和真实星上硬件环境一致，实现卫星在轨任务执行前的天地状态一致性验证，保证了卫星安全。
15.2、本发明可采用并行调度策略，通过web接口提供多用户仿真调用，可支持不同场景下的任务仿真验证，提高了仿真的通用性和可扩展性。
附图说明
16.图1为本发明实施例中基于超实时仿真的天地平行地面任务验证方法的整体流程图。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明。
18.一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证方法，包括以下步骤：步骤1，接收不同任务需求并进行需求汇总，生成仿真请求文件；步骤2，根据仿真请求文件进行任务筹划，生成任务筹划结果；步骤3，根据任务筹划结果的类型以及仿真速率进行各类任务超实时仿真，仿真类型包括卫星轨道动力学仿真、遥控注数仿真、遥测状态仿真；步骤4，仿真结束后，输出超实时仿真验证结果并存入仿真数据库，如果满足任务要求，则超实时仿真流程结束，否则输出违反约束信息。
19.进一步地，步骤1的具体方式为：外层调用服务通过http协议发送仿真请求消息；检测到输入请求后，对http消息进行合法性检查，并对http消息携带的数据进行解析，检查解析数据的合法性，如果数据格式或数据内容不合法，则数据管理总线向外层调用服务发送相应的错误码；如果数据格式合法，则数据管理总线汇总收到的各类需求并生成仿真请求文件。
20.进一步地，步骤2的具体方式为：读取配置文件，获取ip地址、端口号配置信息；
对仿真请求文件进行解析；针对不同类型的仿真请求，分别执行以下步骤：a）对于姿轨控仿真请求，根据卫星当前轨道信息，考虑推力约束、距离约束，以时间、燃料、变轨次数为优化目标，生成卫星姿轨控策略，包括卫星脉冲控制时刻
△
_time、速度增量
△
_v、点火时长
△
_tc、推进剂消耗量
△
_m、推力
△
_isp、比冲
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_force、推力方向
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_thru_dir、推力分支
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_thru_bra、点火时刻
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_ton；b）对于卫星载荷任务需求，获取任务开始时间starttime、任务结束时间endtime，并获取任务区间内地面接收站资源、测控资源，根据资源情况进行任务筹划，生成规划方案，包括卫星工作计划、数据接收计划、测控计划；将卫星工作计划、数据接收计划进行融合，生成卫星载荷控制计划，融合规则为：分别对卫星工作计划、数据接收计划队列按开始时间从小到大进行排序，将排序后最早的动作加入到空的载荷控制计划中，依次添加剩余其他动作并判断载荷控制计划中已有动作开始时间，如果要插入动作开始时间早于当前载荷控制计划中动作开始时间，则将要插入动作插入到当前载荷控制计划动作之前，否则插入到当前载荷控制计划动作之后，从而形成以时间顺序从小到大排序的载荷控制计划；将生成的卫星载荷控制计划根据卫星指令模板，加工生成卫星能够识别的二进制遥控注数包。
21.进一步地，步骤3的具体方式为：对于卫星轨道动力学仿真，根据轨道任务类型，考虑推力约束、距离约束，以时间、燃料或变轨次数为优化目标，对卫星姿轨控策略进行验证，验证轨道机动策略的可信性；对于遥控注数仿真，解析遥控注数包，包括星上各单机载荷指令序列，按执行时间先后顺序对遥控注数包的指令序列进行排序；然后，通过全数字仿真方式，在地面以时间顺序仿真验证指令序列中的每条指令在星上执行过程的结果是否正确；对于遥测状态仿真，根据遥控注数仿真中星上各单机载荷指令的执行过程，同步实时显示每条指令的执行结果，并以遥测源码形式实时显示。
22.进一步地，步骤3基于超实时仿真模块实现，所述超实时仿真模块包括虚拟目标机、分布式数据总线、遥控注数服务、遥测状态监视服务；所述虚拟目标机是由虚拟内核和虚拟外围芯片构成的仿真嵌入式计算机系统；所述虚拟内核是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式内核，用于实现对寄存器、存储器以及指令集的仿真，并在宿主计算机上执行指令集；所述虚拟外围芯片是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式系统外围芯片，包括虚拟串口、ad转换、1553接口；所述分布式数据总线用于提供数据分发服务和系统协同仿真；所述遥控注数服务用于模拟遥控注数组包与注入；所述遥测状态监视服务用于模拟遥测源码显示。
23.一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证系统，包括数据管理总线、任务筹划模块、超实时仿真模块、仿真数据库；所述数据管理总线用于接收不同任务需求并进行需求汇总，生成仿真请求文件；所述任务筹划模块根据数据管理总线发来的仿真请求文件进行任务筹划，生成任务筹划结果；所述超实时仿真模块接收任务筹划模块发来的任务筹划结果，根据任务筹划结果
的类型以及仿真速率进行各类任务超实时仿真，仿真类型包括卫星轨道动力学仿真、遥控注数仿真、遥测状态仿真；仿真结束后，超实时仿真模块输出超实时仿真验证结果并存入仿真数据库，如果满足任务要求，则超实时仿真流程结束，否则输出违反约束信息；其中，超实时仿真模块包括虚拟目标机、分布式数据总线、遥控注数服务、遥测状态监视服务；所述虚拟目标机是由虚拟内核和虚拟外围芯片构成的仿真嵌入式计算机系统；所述虚拟内核是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式内核，用于实现对寄存器、存储器以及指令集的仿真，并在宿主计算机上执行指令集；所述虚拟外围芯片是通过全数字仿真方式，在宿主计算机上利用软件模拟的嵌入式系统外围芯片，包括虚拟串口、ad转换、1553接口；所述分布式数据总线用于提供数据分发服务和系统协同仿真；所述遥控注数服务用于模拟遥控注数组包与注入；所述遥测状态监视服务用于模拟遥测源码显示。
24.进一步地，外层调用服务通过http协议向天地平行地面任务验证系统发送仿真请求消息，所述数据管理总线检测到输入请求后，对http消息进行合法性检查，并对http消息携带的数据进行解析，检查解析数据的合法性，如果数据格式或数据内容不合法，则数据管理总线向外层调用服务发送相应的错误码；如果数据格式合法，则数据管理总线汇总收到的各类需求并生成符合任务筹划模块输入要求的仿真请求文件。
25.进一步地，所述任务筹划模块的具体工作方式如下：读取配置文件，获取ip地址、端口号配置信息，与所述数据管理总线建立服务连接；接收数据管理总线发来的仿真请求文件，并对其进行解析；针对不同类型的仿真请求，分别执行以下步骤：a）对于姿轨控仿真请求，根据卫星当前轨道信息，考虑推力约束、距离约束，以时间、燃料、变轨次数为优化目标，生成卫星姿轨控策略，包括卫星脉冲控制时刻
△
_time、速度增量
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_v、点火时长
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_tc、推进剂消耗量
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_m、推力
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_isp、比冲
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_force、推力方向
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_thru_dir、推力分支
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_thru_bra、点火时刻
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_ton；b）对于卫星载荷任务需求，获取任务开始时间starttime、任务结束时间endtime，并获取任务区间内地面接收站资源、测控资源，根据资源情况进行任务筹划，生成规划方案，包括卫星工作计划、数据接收计划、测控计划；将卫星工作计划、数据接收计划进行融合，生成卫星载荷控制计划，融合规则为：分别对卫星工作计划、数据接收计划队列按开始时间从小到大进行排序，将排序后最早的动作加入到空的载荷控制计划中，依次添加剩余其他动作并判断载荷控制计划中已有动作开始时间，如果要插入动作开始时间早于当前载荷控制计划中动作开始时间，则将要插入动作插入到当前载荷控制计划动作之前，否则插入到当前载荷控制计划动作之后，从而形成以时间顺序从小到大排序的载荷控制计划；将生成的卫星载荷控制计划根据卫星指令模板，加工生成卫星能够识别的二进制遥控注数包。
26.进一步地，所述超实时仿真模块的工作方式如下：对于卫星轨道动力学仿真，根据轨道任务类型，考虑推力约束、距离约束，以时间、
燃料或变轨次数为优化目标，对所述任务筹划模块生成的所述卫星姿轨控策略进行验证，验证轨道机动策略的可信性；对于遥控注数仿真，解析所述任务筹划模块生成的所述遥控注数包，包括星上各单机载荷指令序列，按执行时间先后顺序对遥控注数包的指令序列进行排序；然后，通过全数字仿真方式，在地面以时间顺序仿真验证指令序列中的每条指令在星上执行过程的结果是否正确；对于遥测状态仿真，根据遥控注数仿真中星上各单机载荷指令的执行过程，同步实时显示每条指令的执行结果，并以遥测源码形式实时显示。
27.如图1所示，一种基于超实时仿真的天地平行地面任务验证方法，包括以下步骤：步骤1，数据管理总线接收不同任务需求并进行需求汇总；步骤1a，外层调用服务按照规定好的消息格式，以http协议发送仿真请求消息，数据管理总线检测到输入请求，对http消息进行合法性检查，并将http携带的数据解析，并检查数据的合法性，如果数据格式或数据内容不合法，数据管理总线向外层调用服务发送相应的错误码。如果数据格式合法，则数据管理总线汇总收到的各类需求并生成符合任务筹划模块输入要求的仿真请求文件。
28.步骤2，任务筹划模块根据仿真请求文件进行任务筹划，生成任务筹划结果；步骤2a，任务筹划模块读取配置文件，获取ip地址、端口号配置信息，与数据管理总线建立服务连接；步骤2b，任务筹划模块接收步骤1生成的仿真请求文件，按约定格式要求解析收到的仿真请求文件；对于姿轨控仿真请求，根据卫星当前轨道信息，考虑推力约束、距离约束等，以时间、燃料、变轨次数为优化目标，生成卫星姿轨控策略，包括卫星脉冲控制时刻
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_time、速度增量
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_v、点火时长
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_tc、推进剂消耗量
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_m、推力
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_isp、比冲
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_force、推力方向
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_thru_dir、推力分支
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_thru_bra、点火时刻
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_ton。
29.对于卫星载荷任务需求，任务筹划模块首先获取任务开始时间starttime、任务结束时间endtime，并获取任务区间内地面接收站资源、测控资源，根据资源情况进行任务筹划，生成规划方案，包括卫星工作计划、数据接收、测控计划；将生成的卫星规划方案中卫星工作计划、数据接收计划进行融合，生成卫星载荷控制计划，其中融合规则为：分别对卫星工作计划、数据接收计划队列按开始时间从小到大进行排序，将排序后最早的动作加入到空的载荷控制计划中，依次添加剩余其他动作并判断和载荷控制计划中已有动作开始时间，如果要插入动作开始时间早于当前载荷控制计划中动作开始时间，则插入当前载荷控制计划动作之前，否则插入之后，这样最终形成的载荷控制计划是以时间顺序从小到大排序的队列；将生成的卫星载荷控制计划根据卫星指令模板，加工生成卫星能够识别的二进制遥控注数包。
30.步骤3，超实时仿真模块接收任务筹划结果，根据任务筹划结果类型以及仿真速率，结合仿真数据库进行各类任务超实时仿真，其中，仿真类型包括卫星轨道动力学仿真、遥控注数仿真、遥测状态仿真；步骤3a，轨道动力学仿真模块根据轨道任务类型，考虑推力约束、距离约束等，以时间、燃料或变轨次数为优化目标，调用轨道动力学服务对步骤2b生成的卫星姿轨控策略
快速验证轨道机动策略的可信性。
31.步骤3b，遥控注数仿真服务收到并解析任务筹划步骤2b生成的遥控注数包，包括星上各单机载荷指令序列，按执行时间先后顺序对遥控注数包指令序列进行排序，排序后的指令序列为：mctrorder
order
={mctrorder1,mctrorder2,mctrorder3,...,mctrorder
p
}超实时遥控注数仿真服务通过全数字仿真方式，在地面以时间顺序仿真验证每条mctrorder
p
指令在星上执行过程结果是否正确。
32.步骤3c，遥测状态仿真服务根据步骤3b中星上各单机指令执行过程，同步实时显示每mctrorder
p
指令的执行结果，并以遥测源码形式实时显示。
33.步骤4，超实时仿真模块输出超实时仿真验证结果并存入仿真数据库，如果满足任务要求，则超实时仿真流程结束，否则输出违反约束信息。
34.总之，本发明提供了一种基于超时仿真的天地平行地面任务验证技术，通过超实时仿真将地面管控系统生成的卫星工作计划进行快速仿真验证，可确保地面生成的上注指令正确无误。
35.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应该理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神范围内，所作的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。