ConOps for a safe integration of multi-RPAS operations in civil airspace

Abstract

The gradual integration of remotely piloted aircraft systems (RPAS) in civil airspace, sharing airways with commercial flights, is expected to be completed once the legal issues and those regarding the unmanned traffic management are solved. This will open the floodgates to a myriad of new services, with a demand that will probably face a lack of pilots, a situation already present in the manned case. Multi-RPAS operations could be a solution, if correctly addressed.

The thesis proposes a framework that pursues the feasibility, from a human factors perspective, of having a single pilot/aircrew controlling several RPAS concurrently in non-segregated airspace. Such feasibility implies that this multitasking should be safe, and not interfere with the job of the air traffic controllers due to delays or errors associated to the parallel piloting. To this extent, a set of tools and measures are suggested, which include workload balance and prediction, action monitoring and interface usability.

The management of the workload takes into account the cognitive profile of each pilot to determine their limitations and time requirements while executing the tasks. Based on these profiles, the scheduling seeks the concurrent piloting while providing a safe margin of total workload, but also the flexibility in the strategies chosen for executing the tasks. The balance of the workload among pilots, a necessary safety measure, requires the prediction of it; this would be done based on the aggregation of different sources of information like aircraft readings, scheduled tasks, external reports and a suggested map of expected workload drivers.

Monitorings are justified by the fact that concurrent piloting could be misleading, so the system provides a safety check, acting as a kind of first officer. The reason behind the focus put on usability is that a handy interface providing an appropriate awareness is an essential requirement in multi-RPAS operations.

While multiplying the productivity is the main goal, it also offers benefits for a one-pilot-one-aircraft ratio, as it provides extra safety measures or the possiblity to parallelise other roles in the flightcrew. To illustrate its potential, a prototype was implemented and some experiments with pseudo-pilots conducted to compare the performance with or without some of the features. These showed a decrease in the number of errors, oversights, and subjective stress, and were useful to inspire improvements.

Some components of the framework could be leveraged outside of it. For instance, it relies on the exploitation of the potential of Controler-Pilot Data Link Communications (CPDLC), anticipating a future widespread implementation and full use. A CPDLC display was designed to reduce the head-down of current implementations and provide a more descriptive status of the communications, both key aspects for the quick response that a multi-RPAS pilot could require. As a standalone application, it could be used by pilots and controllers to train the CPDLC phraseology and composition rules, or as an inspiration for future implementations. Its connectivity middleware allows the simulation of different scenarios of Quality of Service for the link, which can be used to train the procedures when related problems arise. Also, the implementation of the suggested map of workload could serve to air traffic management analysts to get the perspective of the pilots during the operations and detect hot spots.

The safety measures and monitorings were positively evaluated by the pilots and controllers surveyed, even when some constituted redundant checks to existing air traffic control monitoring tools. The CPDLC display was quite well considered also to be used by controllers, who found it intuitive, quick, and that the information was clearly displayed and at hand. Finally, the handover procedure suggested was well evaluated to avoid the errors arising during the process of control migration.

La integración de los sistemas aéreos pilotados de forma remota (RPAS) en espacio aéreo civil será una realidad una vez se resuelvan los temas legales pendientes o las particularidades en lo referente al control del tráfico aéreo. Esto supondrá el pistoletazo de salida a una amplia gama de servicios, con una demanda que probablemente se enfrentará a una carestía de pilotos, situación que ya se da en el caso de los vuelos tripulados. Las operaciones multi-RPAS, implementadas de forma correcta, podrían paliar este problema. La tesis propone un marco operativo para la viabilidad, a nivel de factores humanos, de que cada piloto o tripulación pueda controlar simultáneamente varios RPAS en espacio aéreo no segregado. Dicha viabilidad implica que estas operaciones sean seguras y no interfieran en el trabajo de los controladores debido a retardos o errores asociados al hecho de pilotar varios aviones. Por ello, se sugiere un conjunto de herramientas y medidas que incluyen la predicción y balanceo de la carga de trabajo, monitoreo de acciones y una adecuada usabilidad de la interfaz. La gestión de la carga de trabajo toma en cuenta los perfiles cognitivos de los pilotos para determinar sus limitaciones y tiempo de ejecución de las tareas. Basándose en estos, se busca una asignación de vuelos con un margen seguro de carga de trabajo total pero también flexibilidad en la estrategia elegida para lidiar con las tareas concurrentes. El balanceo de la carga de trabajo entre los pilotos requiere la predicción del flujo de tareas; esta se basará en tantas fuentes de información como estén disponibles: telemetría, tareas planificadas, partes o un sugerido mapa de factores de carga de trabajo. La monitorización se justifica porque controlar distintos vuelos de forma concurrente puede llevar a confusiones. El sistema cotejará pues las acciones, en una suerte de primer oficial. La usabilidad es clave en el caso multi-RPAS, donde es imperativo una interfaz que permita una respuesta y acceso a la información rápidos, con una clara descripción del estado de las operaciones. Pese a que el principal objetivo del concepto es el aumento de la productividad de los pilotos, este ofrecería beneficios aun cuando a cada piloto se asignase un único vuelo, por sus medidas de seguridad complementarias, o la posibilidad de que la operatividad concurrente se traslade a otros roles de la tripulación. Para ilustrar su potencial, se implementó un prototipo con el que se llevó a cabo experimentos con pseudo-pilotos para comprobar la efectividad de algunas medidas. Estos mostraron una reducción en el número de errores, olvidos y estrés subjetivo, y sirvieron para inspirar mejoras. Algunas piezas del sistema pueden ser útiles fuera de este. Por ejemplo, se explota el potencial de las comunicaciones mediante enlace de datos (CPDLC), anticipándose a su futura implementación y uso extendidos y se diseñó una interfaz CPDLC que redujese el lento manejo de las actuales, con un estado más claro de las comunicaciones. Esta, de forma aislada, podría utilizarse para entrenar a pilotos y controladores en las reglas de composición, o como inspiración a futuros diseños. El software utilizado permite la simulación de escenarios de calidad del enlace, que permitirían practicar los procedimientos asociados a los problemas que pueden surgir en estos. Y el mapa de factores de carga de trabajo que se sugiere, podría ser utilizado para analizar la integración RPAS. Las medidas propuestas fueron positivamente evaluadas por los pilotos y controladores encuestados, aun cuando algunas suponían comprobaciones redundantes, ya presentes en herramientas de control de tráfico aéreo. La interfaz CPDLC, en principio orientada a pilotos, gustó también a controladores por intuitiva, de rápido manejo, y con la información accesible. Finalmente, el procedimiento de migración de control sugerido fue considerado interesante para evitar los errores que surgen durante el proceso de migración de control