SLRの観測装置では，天空上を移動していく人工衛星に向かってパルスレーザー光を送信し，衛星からの反射光を受信することにより，衛星までの距離を測定する．観測装置は，レーザーの送受信のための光学系，レーザー発振器，送受信した光を検出し往復時間を測定するエレクトロニクス，制御部，記録部，時計部などから構成される．送信するレーザー光はビームを鋭く絞って高い指向性をもたせる必要があるが，この送信ビームを衛星に当てるためには，衛星の軌道をあらかじめ算出し，送信ビームを正確に衛星に向けなければならない．反射光の強度は，衛星までの距離の4乗に反比例するため，高高度の衛星では衛星からの反射光は微弱となる．

　衛星からの反射光を観測する際，受信望遠鏡の視野内の背景光がノイズとなる．このノイズを低減させるために，1）空間的なフィルタリング（受信望遠鏡の視野を狭くする），2）時間的なフィルタリング（受光センサーの動作時間を短くする），3）周波数領域でのフィルタリング（レーザー光の周波数付近のみを透過するフィルターを使用する），4）受光シグナルの強さによるフィルタリング（弱い信号は除く）などが行われる．

　図4にSLR観測局の分布を示す．

　LLR観測の原理もSLRと同じであるが，月までの距離は遠いため受光シグナルが極めて微弱となる（20回に1回，1つのフォトンが返ってくる程度）．現在，米国テキサス州と南フランスの2カ所で観測が行われている．