天基预警系统探测范围广、预警时间长，可为弹道导弹防御和实施反击提供及时预警信息。美国最先发展天基预警卫星系统，先后部署了多种型号的天基预警系统，包括“国防支援计划”“天基红外系统”“空间跟踪与监视系统”等。当前，美国已形成了高低轨结合，预警、跟踪和识别功能复合的天基预警系统，性能先进，可为美国提供强大的弹道导弹预警能力。
天基预警系统是美国反导体系的重要组成部分，可以为国家领导、作战指挥官、情报机构以及其他关键决策人员提供及时、可靠、准确的导弹预警与红外监测信息，使美国在全球导弹发射探测、弹道导弹防御、技术情报搜集及战时态势感知等方面的能力极大增强。美国现役天基预警系统主要包括4颗“国防支援计划”（DSP）卫星、3个“天基红外系统”大椭圆轨道卫星载荷、2颗“天基红外系统”（SBIRS）地球同步轨道卫星和2颗“空间跟踪与监视系统”（STSS）低轨卫星。
DSP卫星系统DSP卫星系统是美国部署的第一种实用型预警卫星系统，先后研制部署了三代，共23颗卫星。经过三代发展，DSP卫星在探测战略弹道导弹方面已达到相当成熟的实战水平。然而，由于技术原因，DSP卫星系统存在一些问题，如无法跟踪中段飞行的导弹、扫描速度过慢、对国外设站依赖性强、存在虚警现象等。而且DSP卫星系统对助推段燃烧时间短、射程近的战区导弹的探测能力十分有限，难以留有充足预警时间。鉴于以上因素，美国决定不再继续发展DSP卫星系统，重点发展SBIRS卫星系统和STSS卫星系统，以逐步取代DSP卫星系统。
当前，仅有4颗DSP卫星在轨服役，卫星位于地球同步轨道，主要任务是为美国指挥机构和作战司令部提供导弹发射的探测和预警。
SBIRS卫星系统美国于1995年提出发展SBIRS卫星系统，最初的方案是构建一个由4颗地球同步轨道（GEO）卫星、2个大椭圆轨道（HEO）有效载荷和24颗低地球轨道（LEO）卫星以及地面系统组成的有机整体。其中，GEO卫星和HEO有效载荷组成高轨部分（SBIRS-High），LEO卫星组成低轨部分（SBIRS-Low）。“天基红外系统”的任务目标主要包括：提供更快、更准确的战略和战区导弹发射报告；为导弹防御系统作战能力提供有效支持；分析各类红外信号的特征数据以进行快速判别；更好地了解战场态势，为打击任务规划、作战力量防护提供支持等。
美国空军原来负责监管SBIRS-Low项目，然而由于存在较大技术风险，2002年更名为“空间跟踪和监视系统”（STSS）计划，并移交至导弹防御局。高轨部分SBIRS-High计划仍由美国空军负责，项目名称继续沿用SBIRS。SBIRS系统最终将部署4颗GEO卫星和2颗HEO卫星，并通过一体化集成地面站为SBIRS空间段提供服务。SBIRS系统地球同步轨道卫星星座主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹，大椭圆轨道载荷则将该系统的导弹预警覆盖范围扩展到南、北两极。
SBIRS项目并没有因为SBIRS-Low计划的剥离而顺利推进。2颗HEO卫星均推迟交付。HEO-1红外传感器于2006年6月搭载NROL-22侦察卫星成功发射，比原计划推迟了18个月；HEO-2红外载荷于2008年3月搭载NROL-28侦察卫星成功发射，比原计划推迟了21个月。HEO-1和HEO-2载荷分别于2008年和2009年在轨运行，在轨测试性能超过预期，目前已交付美国战略司令部投入作战应用。HEO-3有效载荷于2014年搭载在美国机密卫星上发射，现已成功完成在轨校验。2015年5月，HEO-4卫星载荷完成制造，将被集成至一颗秘密卫星上。
SBIRS项目中的4颗地球同步轨道卫星交付更为滞后。GEO-1卫星于2011年5月发射入轨，并于2012年11月投入作战应用；GEO-2卫星于2013年3月发射入轨。两颗卫星的预警能力已经得到验证。2014年6月24日，美国空军向洛克希德·马丁公司授出一份价值18.6亿美元的修订合同，用于生产GEO-5和GEO-6，两颗卫星将作为GEO-1和GEO-2的后继卫星部署。
STSS卫星系统SBIRS-Low项目是天基红外系统的核心部分，计划由约24颗卫星组成。这24颗卫星将部署在约1600千米高度的地球轨道，卫星运行在多个轨道面上，将与SBIRS-High卫星系统共同提供全球覆盖能力。美国空军原来负责监管SBIRS-Low项目，但在20世纪90年代后期被搁置起来。2002年4月，导弹防御局接管了该SBIRS-Low项目，并重新命名为“空间跟踪和监视系统”（STSS）。STSS被视为未来美军导弹防御体系十分重要的组成部分，建成后将与SBIRS共同构成全球全天时覆盖、功能完备、实时响应的天基预警系统。
在美国大幅压缩军费的整体环境下，STSS项目目前受限于经费和技术原因，后续计划尚未成为美军正式采办项目。2017财年，导弹防御局为STSS卫星的运行和维护申请3200万美元。STSS卫星将继续参与导弹防御试验，进行数据采集，为作战人员提供作战态势感知和技术情报支持。STSS卫星星座一旦决策部署完成，美国可很快形成弹道导弹全程探测和跟踪能力。
地面运行系统地面运行系统是美国天基预警系统的重要组成部分，其主要功能是接收和处理SBIRS和STSS的信息与数据，并对卫星进行控制。“增量1”系统于2001年开始运行，该系统允许美军通过3种独立的地面软件系统分别控制SBIRS GEO卫星和HEO卫星。近年来，美国空军致力于新型地面运行系统“增量2”的研制，目前已完成“增量2”新型地面系统的全星座测试。新一代地面运行系统实现了将SBIRS卫星的操作控制集成至一个主要任务控制站及一个备份控制站，可大幅简化控制流程和提高效率，进一步增强SBIRS系统性能。此外，“增量2”系统还将显著提升SBIRS系统在4个任务领域（包括导弹预警、导弹防御、战场态势感知以及技术情报获取）中的能力。
美国天基预警系统关键技术
美国在其天基预警系统中应用了大量先进的技术，现已建立了性能最为先进，高低轨相结合，扫描与凝视、捕获与跟踪手段相协作的导弹预警系统，能够对全球重点区域发射的弹道导弹提供及时预警信息，且对中段飞行的弹头具有一定的跟踪和识别能力。
双探测器技术美国天基预警系统主要担负红外监视与跟踪导弹发射全过程的任务，可同时探测来袭的战略导弹和战术导弹，能够提供导弹预警、导弹防御、技术情报侦察（提供描述导弹特征所需的数据及其他目标数据）以及作战空间特征描述等功能。
SBIRS GEO卫星主要用于探测和发现处于助推段的弹道导弹。SBIRS卫星最大的改进是采用了双探测器方案，每颗卫星载有一台高速扫描型（Scanning）探测器和与之互补的高分辨率凝视型（Staring）探测器。大椭圆轨道（HEO）有效载荷也装有高速扫描型探测器和高分辨率凝视型探测器，其主要任务在于对北极地区圈的探测预警，将天基红外系统的预警能力扩展到两级地区，使其侦察范围扩大了2~4倍。卫星工作时，扫描型探测器先对地球的北半球和南半球进行快速扫掠，然后将探测到的数据提供给凝视型探测器。紧接着，凝视型探测器将目标画面拉近放大，获取详细信息，进而确定是否发生弹道导弹发射活动。双探测器协调工作，共同完成任务，有效增强了天基红外系统探测战术弹道导弹的能力。
STSS系统有2颗演示验证卫星在轨运行。2颗STSS卫星均装有一台宽视场捕获传感器和一台窄视场凝视型多波段跟踪传感器。STSS卫星的宽视场捕获传感器，采用波长为0.7～3微米的短波红外传感器。宽视场捕获传感器以地球为背景，可以捕获助推段弹道导弹的尾焰。STSS卫星的窄视场凝视型多波段跟踪传感器涉及3种波长的传感器。其中，波长为3～8微米的中波红外传感器以地球为背景进行工作，可以实现对助推段末期的弹道导弹进行跟踪；波长为8～12微米的中长波红外传感器以及波长为12～16微米的长波红外传感器以空间为背景进行工作，可以实现对弹道导弹飞行中段的持续跟踪。中长波红外传感器和长波红外传感器在导弹助推段关机后仍能继续跟踪导弹飞行，而且还能够继续跟踪弹头的分离，并具备识别诱饵的能力。
STSS项目将构建由约24颗卫星组成的低轨卫星星座，卫星之间可以利用星间链路传递弹道导弹飞行中段的跟踪信息，卫星间信息的接力传递可实现对弹道导弹在外层空间飞行全过程的持续跟踪。
卫星平台技术SBIRS前4颗GEO卫星，即GEO-1、GEO-2、GEO-3、GEO-4卫星，均采用了洛克希德·马丁公司的A2100军用型卫星平台，并针对军事应用对A2100卫星平台进行了加固和改进。A2100平台开始研制于20世纪90年代，在1996年完成首次飞行验证。在模块化和通用化思想的指导下，A2100平台可根据载荷情况对平台配置进行剪裁。SBIRS卫星采用A2100平台，可使载荷和卫星平台间的相关性显著降低，设计、制造、测试等工序均可以并行进行，在提高效率的同时还可大幅降低成本。
美国天基预警系统未来发展
在稳步推进新一代预警卫星系统建设的同时，美国空军已着手考虑下一代导弹预警系统架构。美国空军至少已提出4种不同的卫星系统架构，其中包括分解方案，即将集中在大型航天器上的能力分解到更多平台上，以减小重要天基服务面临的攻击风险。现役的SBIRS系统在同一颗卫星上集成了战略预警和战术预警功能。除开展系统架构研究外，美国空军还开展了新型全尺寸导弹预警传感器的研发，主要关注2个宽视场传感器，其视场分别达到6度和9度。下一代系统计划在2025-2040年运行，首颗卫星将在2025年运行，研发工作将于2020年开始。
星座架构坚持高轨为主，有限度发展低轨卫星。经过20余年的研制和部署，高轨星座SBIRS一直具备作战能力。尽管屡次出现延迟交付的情况，但美国空军坚持积极推进SBIRS的构建。目前SBIRS GEO-1和GEO-2已在轨运行并具备作战能力，GEO-3和GEO-4预计分别于2016年和2017年发射，GEO-1和GEO-2的后继卫星GEO-5和GEO-6也在研制中；SBIRS HEO有效载荷HEO-1、HEO-2和HEO-3已相继发射并在轨运行，HEO-4也已研制完成。
然而，STSS低轨星座项目卫星数量需求大、星座管理复杂且成本高，而且存在难以跨越的技术障碍难题，自STSS项目提出以来，美军一直维持着对STSS低轨预警系统的有限度发展，目前仅有2颗卫星在轨演示验证。
系统体系结构倾向于功能分解、多轨道、多作战域部署。随着空间安全环境的变化，美军空间系统面临的威胁不断加剧，脆弱性日益增强，加上国防预算削减的影响，将难以继续沿用旧有的空间体系。2013年8月，美国空军航天司令部发布《弹性与分散式空间系统体系结构》。为了实现分散式空间系统体系结构，美军在白皮书中规划了五种途径：结构分离、功能分解、有效载荷搭载、多轨道部署、多作战域部署。
美国空军已着手考虑下一代天基预警系统体系架构，采取了其中多种模式。功能分解方面，美国空军希望下一代卫星能够将战略预警和战术预警能力进行分解，但预算的缩减迫使美国空军将未来导弹预警系统的重点关注集中于战略威胁任务；有效载荷搭载方面，美国空军提出了商业搭载有效载荷方案，研究在商业卫星上搭载军事专用有效载荷的技术，以实现利用商业卫星快速、灵活的搭载军用载荷的目标；多轨道部署方面，美军在高中低轨均部署有预警卫星；多作战域部署方面，美军积极将天基预警系统与地基、海基红外传感器联合使用，提高发射探测和导弹跟踪能力。
高度重视发展宽视场传感器技术。空间导弹与系统中心对成本问题关注较少，其更重视发展下一代天基预警技术。2013年，空间导弹与系统中心要求在空间项目年度预算中，预留一部分资金用于升级当前系统，或用于发展下一代系统以及后继系统，并将这部分资金列为“空间现代化倡议”。在考虑下一代天基预警系统建设时，空间导弹与系统中心将主要精力和经费投入均集中在有效载荷研制上，如推进宽视场传感器的研制。
美国空军在2015和2016财年预算申请中，分别为研制宽视场传感器申请了2900万美元和5100万美元的经费。预算文件显示，美国空军正在考虑开发6度和9度视场试验型传感器。美国空军尤为重视宽视场传感器试验，认为这些试验不仅有助于为空军下一代SBIRS评估任务架构，还有助于空军开发算法，以处理升级版传感器焦平面技术所提供的大量数据。L-3通信公司在2014年获得一份价值1300万美元的合同，用于研发6度视场传感器。2016财年预算申请的5100万美元经费中，其中1100万美元用于发射、校准和在轨校验6度视场试验型传感器以及相关地面系统工作，4000万美元用于将该有效载荷集成至卫星。
