美国宇航局的两颗“圣杯”探测器——“圣杯-A”号和“圣杯-B”号——体积与一台洗衣机相当，重量大约在200公斤左右。它们是一对双胞胎兄弟， 彼此将天线对准对方。由于这个原因，它们的MoonKAM(中学生月球知识获取系统的英文首字母缩写)位置存在差异，用于控制高度的星象跟踪仪和用于测量 彼此间距离变化的天线的角度也不同。在环绕月球飞行时，两颗探测器一前一后编队飞行，“圣杯-A”号跟在“圣杯-B”号后面。
“圣杯”探测器在设计上立基于美国空军的实验小卫-11技术验证任务和宇航局火星侦察轨道器的航天电子设备。高度控制子系统提供三轴稳定控制，由一个阳光传感器、星象跟踪仪、反应轮和惯性测量装置构成。
“圣杯”探测器的电力子系统包括两个太阳能电池板和一块锂离子电池。每个太阳能电池板能够在任务结束时产生700瓦电量。它们在探测器脱离运载 火箭后不久展开，整个任务期间固定不动。锂离子电池的容量为30安培小时，负责探测器穿过月球阴影时提供电量。“圣杯”探测器的推进系统包括一台肼催化推 进器以及一个温暖气体系统，前者用于进入月球轨道和变轨，后者装有8个推进器阀门，用于控制高度和其他小幅度机动。
远程通讯子系统包括以下天线：
1.两条S波段异频雷达收发机天线，用于与地球进行通讯
2.两条X波段信标天线，用于从地球对月球近侧进行多普勒测距
3.S波段时间传递系统天线，用于两颗探测器之间发送和接收时间同步代码
4.Ka波段测距天线，用于精确测量两个探测器之间的距离
两条S波段异频雷达收发机天线一条安装在“圣杯”探测器向阳一侧，另一条安装在阴面。向阳一侧的天线在满月时对准地球，阴面的天线在新月时对准地球。这一系统省去了任务执行期间通过机械方式旋转天线的需要。旋转天线将改变探测器的重心，对科学测量造成干扰。
科学仪器
每个“圣杯”探测器搭载两个有效负荷，分别是月球引力测距系统(LGRS)这台科学仪器，以及用于教育和公众宣传的月球成像系统MoonKAM。月球引力测距系统立基于重力恢复与气候试验任务(GRACE)的仪器。2002年以来，GRACE便对地球引力进行测绘。
月球引力测距系统负责传输和接收用于精确测量两颗探测器间距离变化所需的数据。这一系统包括超稳定振荡器(USO)、微波装置(MWA)、时间 传递装置(TTA)和重力恢复处理器(GPA)。超稳定振荡器为所有子系统提供稳定的参考信号。月球引力测距系统为微波装置和时间传递装置提供基准频率。 微波装置负责将超稳定振荡器的参考信号转换成Ka波段频率，后者将信号传输给另一颗探测器。
时间传递装置的功能是，在两颗探测器之间形成一个双向时间传递链条，与月球引力测距系统的两个时钟同步并测量时钟偏差。时间传递装置产生来自于 超稳定振荡器基准频率的S波段信号，向另一颗探测器传输类似GPS的测距码。重力恢复处理器将从微波装置和时间传递装置接收到的所有指令整合在一起，产生 辐射计数据，数据随后传到地面。除了获取两颗探测器间距离的测量数据外，月球引力测距系统还为地面提供基于超稳定振荡器的单向信号，通过X波段无线电科学 信标天线(RSB)传输。超稳定振荡器的稳态漂移借助无线电科学信标(RSB)提供的单向多普勒数据进行测量。