Ze względu na dużą liczbę stopni swobody projektowanie konstelacji stanowi klasyczne zadanie optymalizacyjne. Wśród stosowanych metod wyróżnia się trzy główne podejścia. Pierwsze, oparte na pełnej enumeracji albo systematycznym przeszukiwaniu siatki parametrów, sięga lat 70. XX wieku i nadal jest stosowane dla niewielkich przestrzeni decyzyjnych. Drugie wykorzystuje sformułowania liniowego programowania całkowitoliczbowego oraz heurystyki dekompozycyjne; sprawdzają się one przy projektowaniu pokrycia regionalnego i rekonfiguracji konstelacji. Trzecie obejmuje metaheurystyki, w tym wielokryterialne algorytmy genetyczne, pozwalające jednocześnie minimalizować liczbę satelitów, średni i maksymalny czas powrotu nad punkt obserwacji oraz inne wskaźniki jakości.
Projekt musi uwzględniać również zakłócenia orbitalne, zużycie paliwa na utrzymanie położenia, ryzyko kolizji, żywotność satelitów, rozmieszczenie stacji naziemnych i zasoby częstotliwościowe. Satelity w tej samej konstelacji zwykle mają podobne elementy orbit, aby perturbacje oddziaływały na nie w porównywalny sposób i aby geometria systemu nie ulegała destabilizacji bez ciągłych, kosztownych manewrów.