為了免受太空真空環境的影響，蘇聯照相偵察衛星最敏感的係統一般都屏蔽起來，所以衛星大而重。而且由於星上相機工作在返回艙內的人造環境中，因此要嚴格控製溫度變化，以免影響成像質量。衛星在軌道上移動會產生圖像位移問題，蘇聯人采用通過膠片本身的緩慢移動方式來確保像移補償。為了完成恒溫控製和星載設備調節，星上還裝有一種能夠將信息加密的新型多信道遙測和無線電指令係統。據悉“天頂”衛星與地麵控製中心之間的無線電信息交換量比載人飛行任務多10倍以上。
“北極熊”的眼睛
天頂2號的回收艙可配置幾種不同的相機，還裝有1台名為“貝加爾”的專用照相電視係統。後者是一種膠卷讀出裝置，可對照相圖像進行掃描，並用電子方式將掃描結果傳輸給地麵控製中心，但其性能不能令人滿意。因此，後來發射的天頂2號衛星僅依靠膠卷相機獲取偵察圖像。
該衛星配有4台相機，其中3台是焦距1000毫米的SA-20，另1台是焦距200毫米的SA-10。後者用於拍攝低分辨率圖像，以便為前者拍攝的高分辨率圖像提供定位參考。與美國“發現者”偵察衛星相機使用窄膠卷拍攝全景圖像不同，蘇聯的SA-20相機用300毫米300毫米的方形畫幅拍攝圖像，這樣能夠獲取立體平像場圖像。星上3台主相機每按一次快門可拍攝60千米180千米地麵條帶，所以每台相機每一畫幅覆蓋60千米60千米＝3600平方千米麵積。每顆天頂2號衛星在其飛行期間可拍攝大約1000萬平方千米的麵積（比美國的全部領土還大）。
在軌道上，天頂2號衛星的縱軸與飛行路線一致，這有助於最大限度地減小大氣阻力。相機透過回收艙側麵的觀察孔觀看地麵，以3種不同模式拍攝圖像：連續掃描（3台主相機不間斷地拍照）、沿地麵軌跡方向拍攝單幅圖像（3畫幅連為一體）、對地麵軌跡任一側拍攝單幅圖像。
由於軌道會自然漂移，每顆衛星的軌道高度需要預先選定，以確保衛星在7天之內兩次覆蓋同一地區。這種衛星在標準情況下飛行持續時間僅為8天，有時也可能延長到12天。
除了進行過頂照相外，天頂2號衛星還裝有一套名為灌木12M的專用係統，它能執行信號情報搜集任務，截獲美國和北約的防空雷達頻率。衛星上有一副高增益拋物麵天線，用來下傳電子偵察數據。
1968年，蘇聯推出了天頂2號衛星的一種改進型——天頂2號M。這種新型衛星究竟有哪些改進並不清楚，隻知道該衛星一是利用一種新的運載火箭來發射，它載有天頂4號所使用的一些改進係統，但去掉了信號情報搜集設備。
天頂2號衛星服役了近7年，包括試驗型和改進型在內總共發射了81顆，其中58次完全成功，11次僅部分成功，12次發射失敗。
後起之秀更先進
天頂2號的改進型——天頂4號（4K）所攜帶的主遙感器是1台鏡頭焦距為3000毫米的相機。為了將它裝入直徑僅為2300毫米的艙內，設計師們把相機的光路加以折疊，使其向後轉。
由於飛行時間短，天頂4號沒有采用天頂2號那樣既裝有光學相機又裝有信號情報搜集設備的通用型偵察衛星方案，不再攜帶信號情報搜集設備，信號情報搜集任務改用較小的專用衛星來執行。
首顆天頂4號衛星可能是1963年11月16日發射的宇宙22號。1968年，一種改進型的天頂4號M衛星開始正式服役。差不多與此同時，另一種變型衛星——天頂4號MK也登場了，這種衛星多半供測繪之用。
在1969年以前，天頂4號的年發射率與天頂2號大致相同，每年發射10至13顆，而且兩者的軌道參數也基本相同。最後一顆天頂4號很可能是1970年8月7日發射的宇宙355號。這種型號的衛星總共大概發射了74顆。