Решение всех этих военно-прикладных задач и должен был продемонстрировать эксперимент «Старлэб», поскольку он должен был осуществить:
- оптическое обнаружение и сопровождение ракеты по излучению ее факела;
- определение местоположения корпуса ракеты по информации, содержащейся в ее факеле;
- оптическое сопровождение ракеты при облучении ее лазером;
-  точное целеуказание и стабилизацию луча маломощного лазера на специфической точке ракеты;
-  использование излучения факела для коррекции оптических искажений во временной последовательности лучей (или импульсов) с тем, чтобы увеличить интенсивность лазерного излучения на прицельной точке.

Эксперимент «Старлэб» планировали проводить в течение недели. Все оборудование размещалось в сдвоенном модуле «Спейслэб» и на поддоне в отсеке полезной нагрузки МТКК «Шаттл». Запуск корабля производился из космического центра им. Кеннеди (шт. Флорида), а посадку намечалось произвести на авиабазе ВВС Эдварде (шт.Калифорния). В экипаж корабля включали двоих специалистов по эксплуатации полезной нагрузки в эксперименте, помимо пяти астронавтов НАСА. Корабль планировали запустить на высоту 330,4 км, наклонение орбиты 33,4 град. Центр управления работой полезной нагрузки и площадка научных операций располагались в центре космических полетов им. Маршала (Хантсвилл, шт. Алабама). Космические цели (ракеты «Старберд») планировали запускать из Пикок-Пойнт (о.Уэйк) и с комплекса №20 авиастанции ВВС США на мысе Канаверал (шт. Флорида). Общее руководство экспериментом осуществляло Управление СОИ, а основными участниками его проведения являлись Управление космических систем ВВС США, Командование стратегической обороны Армии США и НАСА.

Основной эксперимент в системе «Старлэб» по слежению за ракетой начинается с наведения основного 1,55-м зеркала на стартовую позицию ракеты. (Кроме большого зеркала, в состав системы «Старлэб» входит также телескоп диаметром 80 см. В хвостовой части модуля «Спейслэб» находится высококачественное оптическое окно для вывода излучения с тем, чтобы ввести лазерный луч в 80-см телескоп, который, в свою очередь, проецирует лазерный луч на большое ориентирующееся 1,55-см зеркало, установленное в кардановом подвесе.) Следящее устройство системы «Старлэб» должно захватить факел ракеты и пассивно сопровождать ракету по излучению этого факела. Когда ракета в полете окажется в пределах досягаемости лазерного локатора (на основе твердотельного лазера на стекле с неодимом YAG:Nd с удвоением частоты), ситема «Старлэб» будет сопровождать ракету в активном режиме. Кожух, прикрывающий мишенный щит на 4-й

ступени ракеты, сбрасывается примерно через 10 с. после запуска двигателя 3-й ступени. После этого мишенный щит фиксирует точность наведения и дрожания (угловые колебания) луча системы «Старлэб». Во время захвата и сопровождения ракеты изображение факела фиксируется на различных длинах волн - 0,2-0,32 мкм, 0,35-0,7 мкм, 2,7-4,3 мкм ультрафиолетового, видимого и среднего ИК-диапазона.

Процесс захвата цели системой «Старлэб» начинается с маневрирования на орбите МТКК «Спейс Шаттл» с тем, чтобы навести оптику «Старлэба» на стартовую позицию ракеты при появлении КК над горизонтом. Затем орбитальный корабль медленно поворачивается вокруг поперечной оси со скоростью 0,7 град./с, чтобы удерживать ракету в поле зрения ориентирующегося (наводящего) зеркала системы «Старлэб».

Основная часть наблюдений должна будет проводиться до рассвета с тем, чтобы получать высококачественные данные без фоновых засветок При отсутствии облачности в атмосфере на стартовой позиции ракеты будет задействован маяк прожекторного типа, излучение которого направляют в сторону орбитального ЛА для облегчения захвата цели. Маяк выключают непосредственно перед включением двигателей первой ступени. Основная проблема здесь также заключалась и в том, что телекамера захвата на основе ПЗС-матриц обеспечивала захват самого яркого объекта в поле зрения. Одновременно с ТВ-камерой работала и ИК-камера с широким полем зрения. При больших наклонных дальностях освещенные солнцем облака, как правило, оказываются ярче видимого излучения факела, поэтому в дневное время основным режимом захвата ракеты должен становиться ИК-режим. Конструкция разнообразных датчиков системы и программное обеспечение были в состоянии ориентировать наводящее зеркало таким образом, чтобы захватить ракету над облаками, а верхние ее ступени - после завершения полета по инерции второй ступени.

После захвата изображения ракеты осуществляется быстрый разворот наводящего зеркала, в результате изображение факела формируется около центра поля зрения камеры захвата, после чего начинается сопровождение. Переход с пассивного сопровождения корпуса ракеты «Старберд» к активному происходит в конце работы двигателя второй ступени, а к активному сопровождению мишенного щита - во время работы двигателей третьей и четвертой ступеней ракеты. При демонстрации системы целеуказания в эксперименте «Старлэб» используется луч маломощного гелий-неонового лазера, с высокой точностью и небольшими угловыми колебаниями направляемого в мишенный щит ракеты «Старберд».

Помимо получения данных о факелах твердотопливной ракеты «Старберд», в ходе эксперимента собирались также данные о факелах жидкостных ракет (они значительно отличаются от сигнатур РДТТ и являются более интенсивными). Запуск экспериментальных ракет был спроектирован так, чтобы обезопасить полет «Шаттла». Вероятность поражения МТКК даже при несанкционированном взрыве любой ступени ракеты - 10^-6. Другие меры предосторожности касались работы с лазерным излучением, чтобы не допустить никакой опасности для зрения экипажа и наземного персонала.

Из других экспериментов следует выделить работы, связанные с управлением волновым фронтом для компенсации атмосферных искажений. Для захвата и сопровождения МТКК, а также наведения на него лазерного луча сначала будет использована оптическая станция ВВС на о. Мауи, а затем система «Старлэб» сама осуществит захват, сопровождение и лазерное целеуказание этой станции. В эксперименте будут использованы несколько лазеров с различными рабочими частотами. Лазер с о.Мауи, излучающий в голубой области видимого участка спектра, будет наведен на «Шаттл». Отраженное от уголковых отражателей излучение используется для адаптивной компенсации искажений зеленого луча лазера, направленного на «Шаттл», и на его борту будут измерены характеристики этого излучения.

В боевой обстановке платформа с оружием направленной энергии должна быть в состоянии поражать многочисленные цели за минимально возможный период времени. При перенацеливании луча цель должна быть уничтожена, после чего луч практически мгновенно перемещается на новую цель и стабилизируется за очень короткое время с минимальным отклонением и дрожанием.

В ходе полета «Шаттла» был предусмотрен эксперимент по быстрому перенацеливанию на две космические мишени, выводимые в космос с «Шаттла». Это два диффузно отражающих светлых сферических объекта диаметром ~ 47 см, хорошо отражающие солнечный свет, что облегчит их захват. После вывода на орбиту они будут перемещаться отдельно от системы «Старлэб», что позволит осуществить их сопровождение, облучение и целеуказание. Эксперимент по перенацеливанию и ориентированию планировалось повторить несколько раз, поскольку сферические цели будут дрейфовать на значительном расстоянии, постепенно удаляясь.