1999年11月20日，距離集團公司成立不到5個月的時間，神舟一號飛船在長征二號F運載火箭的託舉下呼嘯升空，實現了“中國飛船第一飛”。從此，我國加緊了向太空進軍的步伐，於兩年時間裡成功實施了神舟二號、神舟三號和神舟四號3次無人飛行試驗。
2003年10月15日，中國首位航天員楊利偉乘坐神舟五號飛船飛向太空，一個民族的千年飛天夢終成現實！此後的十載飛天路上，五度載人飛行，為集團公司不斷突破核心關鍵技術實現自主創新，標記了前行的刻度。2013年，神舟十號飛船載著三名航天員，完成了首次應用性飛行，載人航天工程第二步第一階段完美收官。
15年間，中國載人航天工程連續成功發射了10艘神舟飛船和天宮一號目標飛行器，先後掌握了載人飛行、空間出艙、空間交會對接等關鍵技術，並實現了載人飛船與天宮一號目標飛行器交會對接應用性飛行試驗。中國載人航天工程正向著“三步走”的最終目標——空間站建設快速邁進。
在載人航天飛行取得成功的同時，作為探月工程實施的主導力量，集團公司也加緊了實現嫦娥奔月夢想的步伐。
2007年10月，嫦娥一號衛星由長征三號甲運載火箭成功發射，在完成繞月飛行的既定任務目標後，於2009年準確受控撞擊月球，為我國探月工程一期畫上圓滿句號。
探月二期工程的先導星——2010年發射成功的嫦娥二號衛星，在獲取了7米分辨率全月表三維影像和虹灣區高分辨率影像等既定任務後，完成了對L2點環繞探測和對圖塔蒂斯小行星（距地球700萬千米）飛越探測，並不斷地刷新中國深空探測的新高度，目前已距地球超過8300萬公里。
2013年歲末，嫦娥三號探測器在月球上實現了“閒庭信步”，中國成為世界上第三個成功實現航天器地外天體軟著陸的國家。我國探月工程“三步走”計劃中第二步“落”的成功，為後續中國航天在深邃太空中不斷助推中國夢的實現，奠定了堅實基礎。
作為全球第三個成熟的衛星導航系統，北斗衛星導航系統的建設對後續航天工程的實施具有重大借鑑意義。
2000年，集團公司先後將兩顆北斗導航試驗衛送入空間軌道，建成了北斗導航衛星試驗系統。2004年，我國正式啟動北斗衛星導航系統建設。2010年，北斗區域衛星導航系統建設正式進入組網發射階段。
2012年10月，隨著第16顆北斗導航衛星的發射成功，北斗區域衛星導航系統正式建成，我國北斗衛星導航系統建設“三步走”中的第二步戰略目標全部實現。12月，北斗區域衛星導航系統正式向中國及周邊地區的用戶提供定位、導航、授時以及短報文通信等服務。
2013年4月，由集團公司抓總研製的高分一號衛星成功發射。高分一號衛星作為高分辨率對地觀測系統建設的首發星，在科技創新和應用推廣等方面的開拓意義重大。自此，高分辨率對地觀測系統進入全面建設階段，至2020年前後計劃完成整個系統建設。
2013年，我國第二代極軌氣象衛星風雲三號系列的第三顆星發射成功，進一步完善了全球、全天候、多光譜、三維、定量遙感的氣象監測能力，標誌著中國氣象衛星的發展與應用進入到了一個新的階段。
於2011年發射的海洋二號衛星成為我國首顆海洋動力環境衛星。在此之前，海洋一號A星、B星使我國海洋水色衛星真正進入遙感衛星業務化運行狀態。
2012年成功發射入軌的資源三號衛星是我國首顆自主民用高分辨率立體測繪衛星。它的在軌運行豐富和完善了我國民用空間基礎設施，有效增強了我國民用航天高分辨率立體測繪、氣候預報的能力。
同樣發射於2012年的環境與災害監測預報小衛星C星，是我國首顆民用對地觀測合成孔徑雷達小衛星。該衛星與兩顆環境與災害監測預報小衛星A、B星共同組網建成了我國首個環境與災害監測預報小衛星星座，具備對災害、生態破壞、環境汙染進行大範圍、全天時、全天候動態監測的能力。
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