Piloting the Future: Design of a Data Link System With Airport Moving Map for Taxi Operations

Cette étude présente la conception, la mise en œuvre et l'évaluation d'un système intégré de communication contrôleur-pilote par liaison de données (CPDLC) et de carte mobile d'aéroport (AMM) destiné à améliorer la communication, la conscience de la situation et la sécurité pendant les opérations de surface dans les aéroports. La communication par radio, bien qu'omniprésente, est souvent source d'ambiguïté et contribue à la charge de travail mentale, en particulier lors des procédures de roulage non nominales ou sensibles au temps. Le CPDLC offre une alternative numérique en transmettant des autorisations normalisées et préformatées. Associée à l'AMM, qui permet de visualiser graphiquement et en temps réel les itinéraires de roulage, l'intégration qui en résulte est susceptible de réduire considérablement la charge de travail des pilotes, d'améliorer la prise de décision et d'accroître la fidélité des communications. Dans cette étude, huit pilotes professionnels licenciés ont effectué six procédures de roulage nominales et non nominales dans un simulateur de vol en utilisant soit le système CPDLC-AMM, soit des instructions radio et une carte papier comme référence. Les scénarios ont été soigneusement conçus et divisés en trois groupes fonctionnels : séquençage et priorisation sensibles au temps, réacheminement adaptatif en raison de contraintes opérationnelles et opérations de routine. Chaque participant a été confronté à chaque type de scénario dans les deux modes de communication, dans un ordre contrebalancé afin d'éliminer les effets d'apprentissage. Les résultats ont montré que le système CPDLC-AMM a permis de réduire la charge de travail par rapport à la condition de référence avec la radio, en particulier en ce qui concerne la gestion des changements inattendus dans les itinéraires et les autorisations, ainsi que l'amélioration de la conscience de la situation. La charge de travail a été évaluée à l'aide du NASA-TLX, et le système intégré a montré des réductions similaires sur les six dimensions, avec des résultats particulièrement notables pour la demande mentale, l'effort et la frustration. La conscience de la situation, mesurée par le SAGAT, était significativement plus élevée lors de l’utilisation du CPDLC-AMM, ce qui indique une meilleure perception, compréhension et projection des situations de trafic. Notamment, la condition de communication radio a conduit à 9 erreurs de navigation sur 24 essais, alors que le CPDLC-AMM n'a conduit à aucune erreur. Ces erreurs étaient principalement dues à de mauvais virages et se sont produites le plus souvent dans des scénarios impliquant une pression temporelle ou un réacheminement dynamique. L’utilisabilité du système a été évaluée à l'aide de l'échelle SUS et du questionnaire sur l'expérience de l'utilisateur UEQ. Le score SUS moyen était de 68,12, ce qui indique une facilité d'utilisation acceptable. Les résultats du questionnaire sur l'expérience de l'utilisateur étaient favorables pour les dimensions portant sur l'efficacité, la clarté et la stimulation, tandis que des préoccupations modérées ont été notées en ce qui concerne la fiabilité et l'attractivité de l’interface. Les commentaires des participants ont renforcé les conclusions relatives à la facilité d'utilisation, la plupart des pilotes déclarant que le système était intuitif, facile à apprendre et bénéfique dans les situations de forte charge de travail. Quelques pilotes ont souligné des préoccupations concernant l'augmentation du temps passé la tête basse et le besoin d’ajout d'alertes visuelles en temps opportun. Dans l'ensemble, les résultats soutiennent la mise en œuvre de systèmes de communication numérique intégrés dans les environnements de cockpit modernes afin de garantir la sécurité, l'efficacité et la croissance des opérations aéroportuaires. Il est important de noter que notre étude est la première à rapporter une charge mentale plus faible lors de l’utilisation du CPDLC-AMM comparativement à la radio durant les scénarios sensibles au temps. Le système CPDLC-AMM développé a démontré des avantages évidents en réduisant les taux d'erreur, en améliorant la conscience de la situation, la charge de travail et de l'expérience de l'utilisateur, en particulier dans les scénarios de roulage non nominaux où les systèmes radio traditionnels ne sont pas à la hauteur. L'étude contribue aux efforts en cours pour moderniser les opérations de surface et fournit un prototype validé qui pourrait être affiné en vue d'un déploiement opérationnel.

Abstract

This study presents the design, implementation, and evaluation of an integrated Controller-Pilot Data Link Communication (CPDLC) and Airport Moving Map (AMM) system intended to enhance communication, situational awareness, and safety during airport surface operations. Radio-based communication, though ubiquitous, often results in ambiguity, increased cognitive workload, and susceptibility to miscommunication, especially during non-nominal or time-critical taxiing procedures. CPDLC offers a digital alternative by transmitting standardized, pre-formatted clearances. When coupled with AMM, which provides real-time graphical taxi route visualization, the resulting integration has the potential to substantially reduce pilot workload, support better decision-making, and increase communication fidelity. In this study, eight licensed commercial pilots completed six nominal and non-nominal taxiing procedures on a flight simulator using either the CPDLC-AMM system, or radio instructions and paper chart as baseline. The scenarios were carefully designed and divided into three functional groups: time-sensitive sequencing and prioritization, adaptive rerouting due to operational constraints, and nominal routine operations. Each participant experienced each type of scenario in both communication modes using a counterbalanced design to eliminate learning effects and maintain task complexity. The results showed that the CPDLC-AMM system resulted in lower workload compared to baseline, particularly in managing unexpected changes in routing and clearances, and improved situational awareness. Workload was evaluated using the NASA-TLX, and the integrated system demonstrated consistent reductions across all six dimensions, with especially lower ratings in mental demand, effort, and frustration. Situational awareness, measured through SAGAT, was significantly higher when using the CPDLC-AMM, indicating better perception, comprehension, and projection of traffic situations. Notably, the radio communication condition led to 9 navigational errors out of 24 trials, while CPDLC-AMM led to zero errors. These errors were primarily due to wrong turns and occurred most often in scenarios involving time pressure or dynamic rerouting. The usability of the integrated system was assessed using the System Usability Scale (SUS) and the User Experience Questionnaire (UEQ). The SUS score averaged 68.12, indicating acceptable usability. UEQ results were favourable across dimensions like efficiency, clarity, and stimulation, while moderate concerns were noted in reliability and attractiveness. Participant feedback reinforced the usability findings, with most pilots reporting that the system was intuitive, easy to learn, and beneficial in high workload situations, though a few highlighted concerns about increased head-down time and the need for timely visual alerts. Overall, the findings support the implementation of integrated digital communication systems in modern cockpit environments to ensure safety, efficiency, and scalability in increasingly congested airport operations. Importantly, this is the first study to have shown better performance when using the CPDLC-AMM during time-critical scenarios, compared to radio communication. CPDLC-AMM integration clearly reduced error rates, improved pilot workload ratings, and enhanced SA, particularly in scenarios where radio proved insufficient. The study contributes to ongoing efforts to modernize surface operations and provides a validated prototype that could be further refined for operational deployment.