目前正环绕月球运行的嫦娥二号卫星，将在半年的既定时间内，完成四项科学目标：获取分辨率优于10米的月球表面三维影像、探测月球物质成分、探测月壤特性、探测地月与近月空间环境。这四大目标，将在嫦娥一号科学探测结果的基础上获得更加丰富、准确的探测数据，为后续月面软着陆及深空探测任务奠定重要的技术基础，深化人类对月球的科学认知。担负这四大科学重任的就是嫦娥二号卫星随身携带的有效载荷——执行探测任务的七种仪器装备：TDI—CCD立体相机、激光高度计、X射线谱仪、γ射线谱仪、微波探测器、太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器。
TDI—CCD立体相机是新研制的，其余六种也都比嫦娥一号携带的有所改进。它们的“体重”加起来只有140公斤(卫星总“体重”为2480公斤，其中燃料为1310公斤)，经过重新设计和改进，武艺更加高强。
立体相机、激光高度计获取月球表面三维影像
“嫦娥一号”携带的立体相机，是普通的CCD相机，中科院西安光机所经过重新研制后，这次携带的是TDI—CCD相机，它采用多条线阵CCD对同一目标多次曝光原理，可以满足分辨率提高对相机曝光控制的要求，是我国相关载荷研制技术的一个重要突破，也是国际上首次在月球探测中使用。嫦娥二号环月飞行时远月点高度为100公里、近月点高度最低只有15公里，加上重新研制后如虎添翼，TDI—CCD相机把图像分辨率从嫦娥一号的120米，提高到10米左右，在15公里轨道处甚至可以达到1米。
于月球上既有数千米的高山，也有几千米的深谷，光用CCD立体相机还不能精确测量出高山和深谷的高度、深度，需要激光高度计助力。
激光高度计相当于激光雷达，可以打一束激光到月球表面，并接受反射光。这样，通过计算激光返回时间，就可以获得卫星离月球表面的距离。嫦娥二号上的激光高度计经过改进，探测频度由嫦娥一号的1秒钟采一个点，增加到1秒钟采5个点，相当于卫星绕月球每飞300米就有一个探测点，密度增加了5倍。
利用TDI—CCD立体相机可获取分辨率更高的月球表面三维影像，结合激光高度计获取的月表地形高程数据，可获取月球表面高精度地形数据，为后续着陆区优选提供依据;同时，也为划分月球表面的地貌单元精细结构、断裂和环形构造，提供原始资料。
X射线谱仪、γ射线谱仪探测月球物质成分
看清楚月球的长相之后，下一步就要了解月球上分布着什么元素，物质的组成怎样。人眼利用可见光通过颜色去分辨物体，X射线、伽马射线的波长要比可见光短得多，利用这些射线可以用来分辨元素种类。
这次γ射线谱仪的探测晶体由原来的碘化铯，改为新的材料——溴化镧，使探测灵敏度提高了1倍多;X射线谱仪的谱段，也由原来的10KeV—60KeV，缩小为25KeV—60KeV。这样，就可以更好地探测月球表面9种元素——硅、镁、铝、钙、钛、钾、钍、铀的含量与分布特征，获得更高空间分辨率和探测精度的元素分布图。
微波探测器探测月壤特性
探测月壤特性、估算其厚度，原本可以用雷达。但雷达功耗大，占用卫星资源多，为此嫦娥一号和二号携带的都是微波探测仪。它实际上是只接收月面微波辐射的微波辐射计，所需能量虽小，却可以接收4个频段(3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz、37GHz)的月面微波辐射，不同的微波频段，可以带来月表下不同深度的月壤或月岩信息。
嫦娥二号的微波探测器没有做太大改动。但是由于嫦娥二号的飞行轨道比嫦娥一号低，因此微波探测器天线波束在月面的覆盖就会缩小，从而提高了探测的空间分辨率。这些新的数据，可以结合嫦娥一号微波探测器的数据进行联合分析，获得更准确的月壤信息。
太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器探测地月与近月空间环境
任何一个航天器到了新的星球，必然要了解所处空间的未知环境，特别是太阳高能粒子和太阳风，来保护自己的安全。太阳爆发时发出的带电高能粒子和太阳风即太阳喷发出的带电低能量粒子流，都会导致卫星及其有效载荷失灵。
嫦娥二号卫星在轨运行期间，正值太阳活动高峰年，是探测研究太阳高能粒子事件、CME(日冕物质抛射，即太阳日冕中的物质瞬时向外膨胀或向外喷射的现象)、太阳风，及它们对月球环境影响的最佳探测时期。利用太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器，可获取行星际太阳高能粒子与太阳风离子的通量、成分、能谱及其随时空变化的特征，用来研究太阳活动与地月空间及近月空间环境的相互作用。为后续探月工程提供环境科学数据。
需要说明的是，在嫦娥二号卫星上，配合这七种有效载荷工作的还有一套管理系统，对这七台仪器进行指挥、控制、管理，并采集数据。其中的大容量存储器为这次新研制的设备，它的存储容量由嫦娥一号的48GB增加到128GB，而且吞吐速率更高，处理速度更快。这样，会使七种有效载荷的工作效率更高、数据更可靠。