空中的测量与特征信号情报系统应用于空军和海军的飞机上，这些飞机也同样是图像和/或信号情报传感器的平台；这些系统包括“RC-135S眼镜蛇球”侦察机（RC-3S Cobra Ball），“P-3C猎户座”反潜机（P-3C Orion），“P-3C铁甲衣”反潜机（P-3C Iron Clad），“P-8海神”反潜机（P-8 Poseidon），“MQ-1捕食者”无人攻击机（MQ-1 Predator）。另外还有许多飞机是探测核武器、化学武器或生物武器活动的传感器的平台。

目前空军的库存清单上有三架“眼镜蛇球”飞机，由位于内布拉斯加州奥福特空军基地的空军第25联队的第55军情大队操控。其配备的机组人员来自同样位于奥福特空军基地的第45侦察中队和第97情报中队。机组人员至少要包括三名电子战官员，两名空中系统工程师，两名空中任务专家。飞机有135英尺长，42英尺高，飞行速度为500多英里每小时，不加油飞行的航程为3900英里。

除了第八章讨论的高级遥测系统，“眼镜蛇球”飞机还携带有两个中波红外阵列（Medium-Wave Infrared Array, MIRA），一个利用八个探测传感器和五个追踪传感器的组合来记录可见光图像的实时光学系统，和一个拥有12英寸焦距的大光圈追踪系统（Large Aperture Tracking System, LATS），可辨别由该系统捕捉到的小目标。每一个中波红外阵列系统有六个红外照相机，每一个照相机的视角边沿轻微重叠，产生一个接近180度的全景照片。最初的阵列被修改，使得探测更冷色调目标成为可能。一架“眼镜蛇球”定位一次导弹发射精度在100码以内，能追踪250英里以外的导弹飞行，能确定发动机是否燃尽并在数秒内测算出命中点。

对“眼镜蛇球”红外和光学传感器发回的数据进行测量与特征信号情报分析，可提供多个领域的情报。分析再入飞行器在与地球大气层摩擦生热时周边出现的颜色，可以确定该飞行器的构成材料和它是否具有能穿透深层目标的加固钛弹头。除此之外，画出弹头的飞行线路可以显示它的飞行速度和它是否可以机动避开防御导弹的截击。通过计算其速度/旋转比，可以估测出再入飞行器的稳定性和准确度。跟踪围绕在再入飞行器周围的碎片则允许分析人员推断出生产的工艺水平。苏联时代生产的导弹有些“粗糙和不洁”，弹头周围会有“大量的碎片”。

“眼镜蛇球”更新一步的任务包括监控伊朗和朝鲜的弹道导弹试验。2010年，三架“眼镜蛇球”中的两架部署飞行了34次，前往日本嘉手纳空军基地、印度洋迭戈加西亚岛和卡塔尔乌代德空军基地。目标包括俄罗斯的十一次导弹试验、中国的三次导弹试验和叙利亚的两次导弹试验，以及印度的十一次导弹试验。此外，飞机还收集了台湾地区的一次试验和埃及的一次试验的数据。从卡塔尔出发的任务是直接针对巴基斯坦的三次导弹试验。“眼镜蛇球”飞机还可能被指定对外情报范畴之外的任务，例如2002年春天，它曾追踪重返大气层的国家航空航天局康普顿伽马射线观测站。

以希腊狩猎之神为名的“P-3C猎户座”飞机在广泛用于陆地成像侦察之前，主要是用于反潜作战的飞机。P-3C上最多可携带84个声纳浮标，属于可投入水中的消耗性声纳系纳。其中48个要在起飞前就预先设定好并装入外部发送管。余下的36个携带在飞机内部，在任务过程中再选择它们的工作渠道。多数声纳浮标可以选择工作深度和传输时间的长度。P-3C上的声音监听人员最多可以同时监听16个声纳浮标。一部声纳型记录仪可以记下所有声音数据供查询，以便再现任务的细节。

P-3C上除了声浮标以外，还有几种非声音的探测系统。它携带的磁异常探测器（Magnetic Anomaly Detector, MAD）与潜艇异常常探测器（Submarine Anomaly Detector）一起用来确定是否发现了已知潜艇的磁属性。为了取得良好的MAD读数，飞机必须在水面以上200-300英尺左右飞行。AN/APS-115型空中搜索雷达用于探测水面上船只或是潜艇反射回来的雷达回波，找出水线位置的潜望镜。

总共有5架P-3C飞机经过特殊设置用于收集、分析和记录有关苏联潜艇、声呐和水下通信设备的高品质声音数据。这些飞机代号为“熊陷阱”，飞行距离可达4000海里，工作高度为200-10000英尺，续航时间为12小时。在1994财政年度期间强化了“熊陷阱”的反潜战能力，重点在沿海/区域冲突环境下。

另一型号的P-3C飞机被称为“暗礁点”、“大三角帆”以及最新名称“铁甲衣”，它是一种四引擎的涡轮螺旋桨飞机，飞行高度可达28000英尺，飞行速度为250节，续航时间最多达12小时（但不可以空中加油）。它被描述为“利用多用传感器对海上和沿海目标进行全天候24小时的、全球的科学和技术搜集”，以支持联合特遣部队、舰队和海上行动。过去，飞机上携带了各种各样的传感器。最近，飞机上的传感器还包括了定向低频分析和记录系统，能够依靠声浮标信号将目标定位在实际目标位置的10-15度之内，还包括了电光的战术光学监视系统。在自适应频谱侦察计划（Adaptive Spectral Reconnaissance Program）下，飞机还装备了高光谱传感器。

许多年来，四架“铁甲衣”飞机平均分配给了设在缅因州海军航空站的特别侦察巡逻中队-1（VPU-1）和设在夏威夷卡内奥赫湾海军陆战队航空基地的特别侦察巡逻中队-2（VPU-2）。2011年，特别侦察巡逻中队-1重新驻扎于杰克逊维尔航空站。该中队主要进行大西洋和地中海的侦察任务，而特别侦察巡逻中队-2则负责太平洋和印度洋战区的侦察任务。2012年，特别侦察巡逻中队-1被解散，飞机和人员被移交给特别侦察巡逻中队-2。在“沙漠风暴”行动中，“铁甲衣”曾被用于拍摄伊拉克防御工事的照片，收集伊拉克的电子作战时间表数据，搜寻移动的飞毛腿导弹。它们还被用于监视中国和菲律宾对南沙群岛归属争议问题的发展。

如上所述，P-3C正在被“P-8A海神”多用途飞机逐步取代。P-8A的测量与特征信号情报传感器包括一个“有源多基地和无源声音传感器系统”和一个数字磁异常探测器。

空中取样曾经被普遍用于探测大气层核爆炸所散发的或者地下核试验所“泄露出来”的原子微粒。空中取样行动采用的飞机包括U-2、P-3、WC-135和B-52。如今只有WC-135仍在执行这项任务。

空军的库存清单上有两架“WC-135不死凤凰”飞机，都位于奥福特空军基地。它们的欧洲任务被称为“希腊凤凰”，太平洋任务被称为“遥远的凤凰”。座舱机组人员选自奥福特的第45侦察中队，特殊设备操作员则来自同样驻扎在奥福特的空军技术应用中心的第一分遣队。飞机拥有“外部流入式装置以搜集滤纸上的微粒，还有一个压缩系统可搜集有效范围内整个空气的样本”。飞机长度超过139英尺，翼幅大于130英尺，高度达42英尺。飞机航程为4000海里，上升限度为40000英尺。

麦克科雷兰空军基地的第55气象侦察中队（WRS）派出的飞机被用来监控1986年切尔诺贝利事故泄露出来的核尘埃，这项任务被称为“特殊事件86-05”。这种飞机驻扎在米尔登霍尔皇家空军基地，在德国、瑞士、意大利和地中海等地的上空执行飞行任务。1992年5月21日，中国在罗布泊进行的核实验产生了一大片放射性气体云，6月初时散布到了日本海上空。一架WC-l35飞入这片放射性气体云搜集了核微粒。WC-135可能也被用来监控西伯利亚核设施在1993年7月渗漏出钚元素带来的影响。1998年5月印度几个核装置爆炸发生之后，WC-135飞机被派往迭戈加西亚执行空中取样任务。2006年10月，朝鲜宣布实施了一次核试验后，WC-135接到命令从嘉手纳空军基地出发前往日本海上空收集大气样本。2011年3月，日本受到地震和海啸的打击，美国对此的反应措施之一就是启用WC-135。在日本福岛第一核电站泄露事故产生影响的早期阶段中，WC-135执行了9次任务并分析了660份样本，这些样本被提交给了能源部国家实验室以作进一步分析。2013年2月，WC-135被派去收集朝鲜第三次核试验产生的碎片。

2011年，雷神（Raytheon）公司向空军提交了被称为“AN-DGS-68”的第一个高光谱空中提示与探索系统（Airborne Cueing and Exploitation System Hyperspectral, ACES-HY），据说准备用于前往阿富汗执行任务的“MQ-1捕食者”。它能够搜集从近可见红外到中波红外边界频谱的数据，这使得它可以识别来自简易爆炸装置生产设施，包括“羽状物”或气溶胶的所有伪装。