重要的大气探测卫星系列有“大气探险者”（AE）、“欧洲空间研究组织”（ESRO）和“圣马科”（San-Marco）等。

放置在卫星上测量大气参量的常用传感器，有电离式超高真空计和质谱计，前者用于测量大气密度，后者用于测定大气成分。经过专门设计的可控制入口气流的卫星上的质谱计，能测出高层大气的风向、风速以及大气温度。用装置在卫星上的加速度计来测定卫星体受到的大气阻力，也能计算出大气密度，这种方法比高层大气卫星阻尼观测法有更高的分辨率。

气象卫星上的各种遥感仪器也是探测高层大气的重要设备，利用它通过测量大气氧分子的微波吸收，可以探测大气温度；用测量红外辐射的遥感方法，可以测定大气温度分布、臭氧浓度、水蒸气含量、地面温度以及云的覆盖情况等。20世纪70年代末，几种红外辐射计和微波辐射计已发展为常规探测系统，安装在气象卫星上探测50千米以下的大气。