一、天文曆法史
中國古代天文學思想
天文學思想是對天文學家的思維邏輯和研究方法長期起主導作用的一種意識。在中國古代，它同統治中國思想界的儒家思想，以及與之互相滲透的佛教、道教思想都有著密切的聯係。天空區劃、星官命名、星占術的理論和方法、編製曆法的原理、宇宙結構的探討等等，無不受其支配，從而形成一套帶有鮮明特色的中國古代天文學。
泛神論無疑是人們最早產生的一種意識，天地山川、風雹雨電，乃至樹木花草都有神，而其中以天神最為崇高，主宰一切，它以無聲的巨力改變著天空景象。季節交替，草木榮枯，動物回歸出沒是這樣有節奏地變化，原始時代的人們既無知識能去解釋自然，更無力量征服自然，這種崇拜意識的產生是可以理解的。但是，正是這種意識成了星占術得以產生和流行的思想基礎。而中國奴隸製和封建製的統治者都聲稱他們是天子，是替天行道的，為了上承天意，下達民情，必須有一套破釋天意的秘訣，這就成了中國星占術產生的社會基礎。
中國星占術有三大理論支柱，這就是天人感應論、陰陽五行說和分野說。天人感應論認為天象與人事密切相關，所謂“天垂象，見吉凶”，“觀乎天文以察時變”(易經)。陰陽五行說把陰陽和五行二類樸素自然觀與天象變化和“天命論”聯係起來，以為天象的變化乃陰陽作用而生，王朝更替相應於五德循環。分野說是將天區與地域建立聯係，發生於某一天區的天象對應於某一地域的事變。這些理論和方法的建立，決定了中國星占術的政治意味和宮廷星占性質。正由於這種星占術在政權活動中的重要作用，天象觀察就成了官方必須堅持的日常活動，這造就了中國古代天文學的官辦性質，從而有巨大的財力和物力保證，促使天象觀察和天文儀器研製得以發展。
在具有原始意味的天神崇拜和唯心主義的星占術流行的時代，甚至在占主導地位的時候，反天命論的一些唯物主義思想也在發展，那些美麗的神話傳說，如“開天辟地”、“後羿射日”、“嫦娥奔月”等都反映了人們力圖征服自然改造自然的向往和追求。後來，不少思想家提出了反天命、反天人感應的觀點，如“天行有常，不為堯存、不為桀亡” (《荀子·天論》)、“天人交相勝，還相用”(《劉禹錫·天論》)、“天地與人，了不相關”(王安石語，引自《司馬溫公傳家集》)等等，這些健康思想指導人們在探求天體本身的規律，研討與神無關的客觀的宇宙。
曆法作為中國古代天文學的基本內容，它反映了中國古代天文學的實用性和實踐第一思想。這兩點也是中國古代科學共同的特色。中國天文學家通過觀察和計算尋找天體運動的規律，並以符合這些規律作為製定曆法的指導思想。“曆之驗，本在於天”(《後漢書·律曆誌》)，“曆法疏密，驗在交食”(《元史·曆誌》)。為了使曆法符合天象，遂有不斷改曆，改曆的過程是使曆法精密化的過程。中國天文學家運用特有的代數學方法，如調日法、內插法、剩餘定理、逐步逼近等方法，解決了編製曆法，預告天體位置，日月交食等任務，並以實際天象作出檢驗，滿足了人民對農時季節的需要，也在認識天體運動規律方麵做出了貢獻。
關於天地關係、宇宙的結構，自古就引起人們的思考，在原始的“天高地厚”認識之後又出現了多種說法，最後以蓋天說與渾天說的爭論最為持久。在長期爭論中，以實際天象作為檢驗的唯物主義思想原則再次得到了尊重。由於渾天說不借人為的假說就能很完滿地解釋一些基本天象，因而為多數人和曆法家們所接受；而蓋天說的天動地靜、天在上地在下的觀點為天命觀所利用，成為天尊地卑、君高臣低等儒家倫理觀點的依據，長期占據統治地位而被流傳下來。盡管與傳統的地靜觀點相反，中國古代也有大量地動觀點的記載，但這一觀點始終未能得到發展。這反映了各種思想意識對科學探索的影響。
在恒星命名和天空區劃方麵，各種思想意識的影響就更加明顯。古代星名中有一部分是生產生活用具和一些物質名詞，如鬥、箕、畢(捕鳥的網)、杵、臼、斛、侖、廩 (糧倉)、津(渡口)、龜、鱉、魚、狗、人、子、孫等等，這可能是早期的產物。大量的古星名是人間社會裏各種官階、人物、國家的名稱，可能是隨著奴隸製和封建製的建立和完善，以及諸侯割據的局麵而逐漸形成的。天空區劃的三垣二十八宿，其二十八宿的名稱與三垣名稱顯然是二種體係，它們所占天區的位置也不同。這都反映了不同的思想意識的影響。
應該提及的是中國古代天文學家探求原理的思想。西方耶穌會傳教士入華以後，為了站穩腳跟以達到傳教的目的，一方麵介紹一些西方科學知識，一方麵否定中國的傳統 科學。有一種說法認為中國古代天文學隻求知其然，不求知其所以然，而一些有崇西非中思想的人也附合這種看法。其實這是一種偏見，中國古代科學很早就努力探索天體運動的原理。孟子曰：“天之高也，星辰之遠也，苟求其故，千歲之日至可坐而致也。”苟求其故就是探求所以然的思想，這一思想不斷被後來的學者所接受，如沈括對不是每次朔都發生食的解釋，郭守敬對日月運動追求三次差四次差的改正，明清學者對中西會通的研究，都體現了苟求其故的思想。
在近代科學誕生之前，對於東西方古代天文學家來說，都沒有近代科學和萬有引力定律的理論武裝，要探求天體運動的原理都不會成功的。古希臘學者用幾何係統推演法，設想出天體繞轉的具體形狀，以預告它們的位置，而設想的那些水晶球天層或後來的本輪均輪，為什麼會轉，乃歸之於宗動天的帶動，至於宗動天的動力從何而來，也是無法交待的，隻能歸之於上帝。中國古代天文學家通過觀測，取得大量數據，通過這些數據設計出一套代數學的計算方法，目的也是預告天體的位置，其運動原因乃歸之於氣的作用，“其行其止，皆須氣焉。”(《晉書·天文誌》)拿物質性的氣同宗動天來比較，中國古代天文學家的看法還包含著唯物主義的成分。他們均按各自的方法解釋天體的運動，結果隻能是某種程度上的近似，甚至是一些思辯的形式，這是古代科學性質決定了的。怎麼能說用幾何模型形象地描述了天體的運動軌跡就是知其所以然，而以數學計算法求得相似的結果就不是知其所以然呢?星圖和星表都能描述天體的位置，幾何作圖法和解析法都能求出一條線段的垂直平分線，方法不同，結果一致，我們怎能揚此抑彼呢?事實上，中國古代曆法中許多表格及計算方法都可以找到幾何學上的解釋。日本藪內清教授和劉金沂曾分別以幾何學方法和代數學方法對中國曆法中求合朔時日月到交點距離的計算方法做過解釋，結果是相通的。
此外，中國古代天文學家對許多天象都有深刻的思考並力圖給於解釋。屈原在《天問》中提出了天地如何起源，月亮為何圓缺，晝夜怎樣形成等大量問題；蓋天說和渾天說都努力設法解釋晝夜、四季、天體周日和周年視運動的成因，對日月不均勻運動也曾以感召向背的理由給予解釋；後代學者對氣的討論，右旋，左旋的爭論，地遊和地轉的設想，天地起源和衰亡的思辯等等，都反映了探求原理的思想。盡管他們是不成功的或缺乏科學根據的，但不能因為不成功而否定他們的努力。探索原理的思想幾千年來一直在指導中國古代科學家的工作。如同西方科學家一樣，隻有當近代天體力學理論出現之後，對於天體運動之原理才算最終找到了“所以然”——萬有引力的作用。 古曆法
中國古曆法，幾乎包括天文學的全部內容，帶動了古代天文學的全麵發展。從一開始，它就擔負起“曆象日月星辰、敬授民時”的重要任務。早在遊牧時代，狩獵和采擷都需要掌握動植物活動和成熟的規律。後來農業發展起來，對於以農立國的我國來說，掌握天時季節就是至關重要的，人們從觀察天象、物候開始，漸漸建立起年月日的概念，為製定曆法奠定了基礎。曆法從物候曆走向陰陽合曆，又經過不斷改革，達到了相當精確的程度，滿足了農耕和日常生活的需要。在發展過程中，又把推算交食、行星位置、晝夜漏刻、昏旦中星等內容包括進來，可以說創立了中國式的天文年曆。
我國古曆法在漫長的歲月中保持了紀日製度的延續性，使我國曆史從公元前841年至今有確切的時日可考。此前雖無確切的時日記錄，但通過其他天文、曆史、考古等方法仍可大體確定某些重大曆史事件的年代。在世界上有如此延續不斷的時日記錄是絕無僅有的，中國古曆法對曆史年代學的貢獻由此可見。
陰陽合曆是我國古曆的特色，它既考慮了太陽視運動同氣候變化的內在聯係，又考慮了月亮視運動、月相變化同人們的夜間生產活動、潮汐規律的關係，創立了大小月和閏月的方法，使兩種周期巧妙地結合起來。為了表達季節氣候的變化，又創立24節氣，指導農業生產活動，這在世界上也是獨有的。
曆經多次改革的中國古曆，先後編撰出百餘種，在編曆過程中逐步建立起一套工作程序，這就是從研製儀器開始，堅持觀測取得數據，按各種數學方法處理後建立一套計算公式，又推算出過去某年之日食，以茲跟事實比較，再作出修改。這無疑是一整套科學的工作方法，是我國科學思想寶庫中的一件珍品。
最後應該提到，中國古曆善於運用天文學、數學研究的最新成果，盡量采用最新的天文數據和數學方法，使曆法的編算逐漸精確。我國古曆采用的回歸年、朔望月、交點月、行星會合周期等等天文數據都相當精確，在世界上處於領先地位。當歲差、日月運動不均勻等現象發現後也立即在編曆中加以應用，數學上的剩餘定理、內插法等方法都首先應用於編曆計算中。
上述這些特色和成就，使中國古曆在世界上影響深遠，我國周圍的鄰國和地區受中國古曆影響很大，有的國家甚至長期使用中國曆法，在其天文學的發展中深深地印有中國背景。
天文儀器
天文儀器的研製是天文學發展的基礎，曆代天文學家都很重視。我國古代天文儀器種類多、製作精、構思巧、用途廣、裝飾美、規模大，在世界天文儀器發展史上有重要地位，現分述如下：
種類多我國古代天文儀器有測角類的，如表、圓儀、渾儀、簡儀、仰儀等；有測時類的，如圭表、晷儀、日晷等；有守時類的，如漏壺、更香、稱漏等；有演示性的，如渾象、假天等。此外還有綜合型的，集測時、守時、報時、演示於一體，如開元水運渾天、水運儀象台等，顯示了多樣性。
製作精曆代製作天文儀器多為皇室所差，創製者多為國內名家，由皇室征召來京製作。工藝精湛，選料考究，無論是木製、鐵製、銅製，都采用國內最新的技藝，刻度、分劃、尺寸大小無不通過計算事先確定。漏壺中所用的水，其溫度、潔度等都有特別要求，甚至代之以水銀，這種一絲不苟的態度造就了精美的儀器。
構思巧這更是中國古代天文儀器的一大特色。多表並用，窺管中央置橫絲，黃道在赤道上可移動的黃道遊儀，應用小孔成像原理製作的仰儀、景符，儀器座基上的水平槽等，無不顯示其巧奪天工。至於漏刻係統中采用的漫流裝置、虹吸裝置，刻箭隨季節的變化，水運渾天係統中采用的擒縱器，可掀開的屋頂等等，更顯示其巧妙的創造性。
用途廣單從種類齊全就可以看出此點，更有甚者，一種儀器可有多種用途。簡單的一根表可測時間，亦可定方向，再加一根遊表又可測角度；正方案就是一塊畫有若幹同心圓的方板，平置可當圭表使用，側立又可測角度；仰儀既可測太陽坐標，又可供觀測日食用，可觀虧起方位和食分大小；安裝有幾種坐標係統的渾儀，可測天體的赤道坐標，亦可測黃道坐標(一種以赤極為極的假黃道坐標)，甚至還可以測地平坐標，通過計算求其白道位置等。至於綜合性的儀象台，更是集多種用途於一身。由於構思的精巧，致使用途多樣而廣泛。
裝飾美這一點使我國的古代天文儀器成為東方文明的象征之一。著名的渾儀和渾象，不僅是舉世聞名的科學儀器，亦是精美的工藝製品，儀器座基和支承架上裝配的雲龍圖飾，栩栩如生，精美絕倫，即使到現在，仍使國內外參觀者歎為觀止。以現代工藝仿古代渾象製作的珠玉渾天象在國際展覽中引起轟動；我國傳統科學技術展覽會上展示的渾儀和渾象模型使多少人以跟它們合照一張相為榮。這些裝飾成為研究我國古代鑄造技藝和東方傳統工藝美術的好材料。
規模大由於有皇室的主持，大規模儀器的製造有了物力和財力的保證，單宋代製作的四件大型渾儀，每台都重約1萬公斤，加工過程中使用的銅更不計在內。元初建造大都天文台，鑄造了十幾件一套的大型天文儀器，成為當時世界上規模最大、儀器最齊全最先進的天文台，可見其製作規模。
天象記錄
天象記錄，是中國古代天文學留給我們的一份珍貴遺產，它內容豐富，係統性強，延續時間長，觀察和記錄詳細，這無疑像延長了我們的壽命，使我們看到了古代的天空，為我們追蹤天體的變化提供了無可替代的曆史信息。可以說這份古天象記錄的整理、發掘和研究，為天文學史的研究開拓了新的領域。
由於編製曆法和宮廷星占的需要，正常天象和異常天象都成為古代天象記錄的內容，特別是後者的出現更引起關注，觀測記錄尤為詳細，正是這類異常天象為現代天文學提供了曆史上天體變化的信息。而正常天象遂成為檢驗現代天文理論的曆史觀測資料。本世紀以來，它們逐漸為世界天文學界認識和重視，利用這批古記錄已取得了不少研究成果。
綜觀目前收集整理的資料，計有日食約1000次，最早為公元前8世紀；月食900多次，時間相當；太陽黑子約100次，最早為公元前1世紀；彗星500多次，最早為公元前613年，其中對哈雷彗星從公元前240年到1910年共31次回歸，每次都有記錄；流星雨約180次，最早為公元前687年，至於流星和隕石，更是不絕於書；新星和超新星約90次，最早為公元前134年；五星聯珠10多次；太白晝見約1000次。此外，還有極光、黃道光、變光星、變色星及怪星等記事。
這些天象記錄以其豐富和係統延續時間長已在科學上顯示出重要的價值，同時也反映了我國古代天文學者勤於觀察、精於記錄的工作作風。觀測唯勤，探微唯精；前人記實，後人求真。相信在今後深刻探索宇宙的過程中，我國古代豐富的天象記錄定會發揮更大的作用。
宇宙理論
宇宙理論，這是古代天文學家、哲學家、思想家對宇宙問題的種種思考，這裏雖然有不少思辯的成分，還有唯心主義的思想影響，但是也包含著辯證的唯物主義因素，有些認識確是不無見地的。在天和地的形狀和相互關係、宇宙結構問題上，為了解釋天體的周日和周年視運動而提出的種種假說，尤其是渾天說和宣夜說的某些觀點是有積極意義的；關於氣的作用引起天體運動而不需要上帝的幫助的觀點，不能不認為是唯物主義的思想因素；關於宇宙在空間和時間上無限的觀點至今仍為許多人接受。在宇宙本源和天體演化方麵，有唯物主義的五行相生說和神話傳說中開天辟地的故事，天地乃是從“混沌”中開辟出來，並非從虛無中由上帝創造出來，並且後來“天日高一丈，地日厚一丈”，也不是上帝在起作用；關於天地的生成和消亡，提出了天地是物，物有消亡，天地亦可消亡的思辯，認為亡於此還可以生成於彼，並不歸於虛無。在天體的演化過程中，還提出由於氣的陰陽兩種屬性，引起輕清者和重濁者有不同的運動和溫度，運動過程中還可能產生碰撞、摩擦等情況，致使形成不同屬性的天體。這些思想和認識在當時的世界上都是很出色的，至今仍在我國古代思想寶庫中有其地位。
中國古代天文學的衰落
我國古代天文學確實達到了當時世界上很高的水平，為天文學的發展做出了重要的貢獻。但到明代以後逐漸衰落下來，其表現有下列四個方麵：第一，作為中國古代天文學主要內容的曆法工作陷於停頓，明代行用的《大統曆》，實際上就是元郭守敬所撰之《授時曆》，200多年間，雖有多次預告與天象不符，但也始終沒有一次改革。第二，民間學者的天文學研究受到極大壓製而沉寂，明初嚴禁民間私習天文、曆法，“習曆者遣戍，造曆者殊死”，至孝宗弘治年間曾征召民間能通曆學者進京備選時，竟無一人前來應征，可見民間天文學活動受到多大的摧殘。第三，明代天文儀器的研製基本上是仿製宋元舊器，沒有一件新創儀器，且鑄造規模也小得多。第四，明王朝強化封建專製統治，加強對思想意識領域的控製，以科舉取士、程朱理學統治了思想界，使科學研究和對宇宙理論的思考受到極大的阻撓，幾乎沒有一個新的見解問世。
上述情況的出現，除有深刻的社會政治原因外，中國古典天文學本身的弱點也不應忽視。幾千年來，由於受奴隸製和封建製統治者的利用，官辦的中國古典天文學基本上隻有二大任務，其一是編曆授時，適應農耕和生活之必需，其二是為宮廷星占提供天象依據。完成這二項任務是不難的，節氣的識差在一天之內不會延誤農時，時間的誤差在 10分鍾之內也不會影響正常活動。至於星占的天象依據，隻要堅持觀測，及時如實上報就可以了。因此，如果沒有曆代天文學家致力探索宇宙奧秘的精神和精益求精的作風，天文學的發展實在沒有更大的動力。當經曆宋元時代的高度發展之後，到明代又受到統治者的各種禁令的阻撓及唯心主義理學的桎梏，古典天文學沒有新的任務，喪失了進取的動力，它的停頓和衰退就是必然的了。明萬曆時期，中國封建社會內部開始孕育資本主義的萌芽，要求打破舊的生產關係，發展生產力，希望發展科學技術，此時也正是歐洲宗教改革、文藝複興的時代。新興的資產階級登上曆史舞台，代表歐洲封建勢力的大批耶穌會傳教士東來，給思想桎梏下的中國天文界也帶來了歐洲古典天文學知識，這也成了一個刺激因素，在這種新的形勢下，中國古典天文學的衰落正是標誌著向新的階段發展的轉折。
二十四史中天文律曆諸誌
自從司馬遷著《史記》以來，形成了曆代為前代撰寫史書的傳統。從《史記》至《明史》共24部，總稱二十四史，如加上《新元史》則稱二十五史。清亡後曾撰寫了《清史稿》一部，是未定之稿。在二十四史中不但記載曆代史實，還有關於天文、律曆的大量內容，是研究中國天文學史的主要資料來源。
二十四史中有十七史專門著有天文、律曆、五行、天象諸誌(其中有十史的五行誌與天文學無關)，它們是：
《史記》：天官書、曆書、律書；
《漢書》：天文誌、律曆誌、五行誌；
《後漢書》；天文誌、律曆誌、五行誌；
《晉書》：天文誌、律曆誌；
《宋書》：天文誌、曆誌、律誌、五行誌；
《南齊書》：天文誌；
《魏書》：天象誌、律曆誌；
《隋書》：天文誌、律曆誌；
《舊唐書》：天文誌、曆誌；
《新唐書》：天文誌、曆誌；
《舊五代史》：天文誌、曆誌；
《新五代史》：司天考；
《宋史》：天文誌、律曆誌；
《遼史》：曆象誌；
《金史》：天文誌、曆誌；
《元史》：天文誌、曆誌；
《明史》：天文誌、曆誌。
此外在《清史稿》中有時憲誌，專講時憲曆法，可供參閱。
《史記·天官書》總結了西漢以前的天空知識，詳細敘述全天星官星名，全天五宮及各宮恒星分布，共列出90多組星名，500多星，但其名稱往往與後世有異，為研究星名沿革提供了信息。《天官書》還指出北鬥與各星宿相對應的關係，根據北鬥的觀測可判定各星宿的位置。關於恒星大小和顏色的描述表示了恒星亮度與溫度，這是我國古代有關恒星物理性質的難得資料。同時在《天官書》中還敘述了眾多的天象、彗孛流隕、雲氣怪星等等，描述了它們的形狀和區別，並記下了“星墜至地則石也”的認識；此外五大行星的運動規律，日月食的周期性，二十八宿與十二州分野都在這裏有首次記載。
《漢書·天文誌》，馬續撰。關於全天恒星統計有118官，783星，但其文字同於《史記·天官書》。其他關於五星運行，日有中道，月有九行，異常天象等均有同天官書相似者。但該誌中詳細記錄了各種天象出現的時間，尤其是行星在恒星間的運行、太白晝見、彗孛出現的時間和方位。《後漢書·天文誌》，司馬彪撰，也繼續記載這一係列天象。兩書的五行誌則著重記述日食、月食、日暈、日珥、彗孛流隕之事，特別對日食的食分和時刻有詳細記載，對太陽黑子出現的時間、形狀做出了很有價值的描述，是早期天象記錄的重要來源。
《晉書·天文誌》，唐李淳風撰，是天官書以來最重要的一篇天文學著作，雖比《宋書》、《南齊書》、《魏書》的天文、五行誌晚出，但它的內容豐富，基本上是晉以前天文學史的一個總結。其中有關於天地結構的探討，渾天蓋天宣夜之說及其他三家論天學說，各說之間的爭論和責難；有各代所製渾象的結構、尺寸、沿革情況；有全天恒星的重新描述，計283官，1464星，為陳卓總結甘石巫三家星以後直至明末之前我國恒星名數的定型之數；有銀河所經過的星宿界限；十二次與州郡與二十八宿之間的對應關係；還有各種天象的觀測，首次指出“彗體無光，傅日而為光，故夕見則東指，晨見則西指”，正確認為彗星是因太陽而發光，彗尾總背向太陽的道理；最後還記錄了大量天象，使曆代天象記錄延續不斷。
《隋書·天文誌》，亦李淳風所撰。關於天地結構，全天星宿的內容與晉誌頗有相同之處，蓋因出於一人一時之筆。但隋誌詳論渾儀之結構和蹤跡，首次描述了前趙孔挺和北魏斛蘭等人所鑄渾儀，留下了早期渾儀結構的資料，難能可貴。《隋書》又論述了蓋圖、地中、晷景、漏刻等內容，記錄了一日十時，夜分五更的製度。第一次列舉交州、金陵、洛陽等地測影結果，指出“寸差千裏”的說法與事實不符。書中還引述薑岌的發現，“日初出時，地有遊氣，故色赤而大，中天無遊氣，故色白而小”，這與蒙氣差的道理相合。又引述張子信居海島觀測多年，發現太陽運動有快有慢，行星運動也不均勻，提出感召向背的原因來給予解釋。這都是我國天文學史上的重要發現。
新舊唐書出於不同作者，詳略各有不同，可互為參閱。兩書天文誌詳論了北魏鐵渾儀傳至唐初已鏽蝕不能使用，李淳風鑄渾天黃道儀，確立了渾儀的三層規環結構，又考慮白道經常變化的現象，使白道可在黃道環上移動，後來一行、梁令瓚又鑄黃道遊儀，使黃道在赤道環上遊動象征歲差。新舊唐書天文誌記載了兩儀的結構和下落，並列出了一行測量二十八宿去極度的結果，發現古今所測有係統性的變化。兩書天文誌還記載了一行、南宮說等進行大地測量的情況和結果，發現“寸差千裏”之謬，並發現南北兩地的影長之差跟地點和季節均有關係，改以北極出地度來表示影差較為合適。兩書天文誌還以較大篇幅記載唐代各種天象，互有補充。特別應提出《舊唐書·天文誌》記錄了唐代天文機構的隸屬關係和人員配置，相應的規章製度，尤其是規定司天官員不得與民間來往，使天文學逐漸成為皇室壟斷的學問。這一資料對研究中國天文學史非常重要。新舊唐書天文誌是晉誌以後的重要著作。
新舊五代史也出自兩人，僅記日月食、彗流隕之天象，然舊史天文誌較詳盡。
《宋史·天文誌》卷帙浩繁，除詳細敘述全天恒星、記錄宋代各種天象外，卷一介紹了北宋製造渾儀及水運渾象、儀象台的簡況，有熙寧七年沈括所著渾儀議、浮漏議、景表議三篇論文的全文，是天文學史的重要資料。宋、遼、金三史以金史文筆最為簡潔，但金史將天文儀器的內容放在曆誌裏，似無道理，它敘述了宋滅後北宋儀器悉歸於金，並運至北京，屢遭損壞的情況，對儀器的滄桑變遷提供了有價值的史料。
《唐書·天文誌》以後較為重要的當推《元史·天文誌》，這裏詳細記述了郭守敬創製的多種儀器，元代四海測景的情況和結果，還有阿拉伯儀器的傳入，集中描述了七件西域儀象，是明以前對傳入天文儀器最集中係統的資料。
《明史·天文誌》則是中西天文學合流之後記述這一情勢的重要資料，許多內容當采自崇禎曆書。這裏有第穀體係，日月行星與地球的距離數據，伽利略望遠鏡的最初發現，南天諸星北半球之中國不可見者，西方的一些天文儀器、黃道坐標係，等等。當然，各天文誌中均有傳統的天象記錄，保證了中國古天象記錄的完整性。
二十四史律曆誌中的律主要內容是音律，與天文學關係似不密切，故目前天文史界對此很少研究。
曆是中國天文學史的主要內容，各史曆誌是有關中國曆法史的資料源泉。從史記曆書以來，各史中均詳細記載了一些曆法的基本數據和推算方法，還有相應的曆法沿革、理論問題等。
二十四史所載曆法
史記·曆書曆術甲子篇漢書·律曆誌 三統後漢書·律曆誌後漢四分晉書·律曆誌乾象、景初宋書·曆誌景初、元嘉、大明魏書·律曆誌正光、興和隋書·律曆誌開皇、大業，皇極舊唐書·曆誌戊寅、麟德、大衍新唐書·曆誌戊寅、麟德、大衍、五紀、宣明、崇元
續表
舊五代史·曆誌欽天新五代史·司天考欽天宋史·律曆誌應天、乾元、儀天、崇天、明天、觀天、統元、
統天、乾道、淳熙、會元、統天、開禧、成天遼史·曆象誌大明金史·曆誌重修大明曆元史·曆誌授時、西征庚午元曆明史·曆誌大統、回回曆除此之外，不少曆誌中還有一些其他曆法的基本數據和有關內容，可以了解這些曆法的大體情況。在曆法推算之外還有一些有關曆法沿革和改曆背景方麵的資料，《後漢書》中有太初曆與四分曆興廢時期的情況，如賈逵論曆、永元論曆、延光論曆、漢安論曆、熹平論曆、論月食等篇；《宋書·曆誌》中有祖衝之與戴法興關於曆法理論問題的辯論；《新唐書·曆誌》中有大衍曆議；《元史·曆誌》中有授時曆議；《明史·曆誌》中有曆法沿革、大統曆法原等，這些都是很重要的篇章。對於研究中國曆法史來說，這些都是必不可少的資料。當然，要逐一弄懂弄通這些內容非一時可就，這其中有資料本身因年湮代久、傳寫訛誤缺漏造成的疑難，也有古人討論問題的背景不清等因素，因而許多問題至今沒有明確的看法和解釋，如《三統曆》中的世經，大衍曆議中日度議等，都有許多困難之處。但是，對於曆法的推算，隻要按期選出若幹典型曆法，做解剖麻雀式的精讀、分析，還是可以逐一了解這些曆法的原理和步算方法，達到貫通的目的。
二十四史中除上麵列舉的天文、律曆、天象、五行諸誌外，還有些篇章中也有關於天文學的內容，如帝紀中就有不少重要的天象記錄以及這些天象發生前後的一些情況，在禮、祭祀、職官、經籍、藝文等誌中有天文機構、天象祭祀、天文書籍的資料；在列傳中的方技、儒林、藝術、文苑、文學等部分有許多天文學家的傳記，為研究天文學家和他們的著作、貢獻提供了依據。因此，二十四史確實是中國天文學史的資料寶庫。
《靈憲》
《靈憲》一書，東漢著名科學家張衡所著；見於《後漢書·天文誌》中劉昭作的注。趙君卿在《周髀》序中說：“渾天有《靈憲》之文，蓋天有《周髀》之法，累代存之，官司是掌。”說明《靈憲》是渾天學說的代表作。其實，除了渾天學說之外，《靈憲》中還有許多天文學內容。
關於渾天學說的天地結構，《靈憲》中描述了一個天圓地平的模型。天是一個大圓球，地在其內，占據了下半個球，地麵是平的，天球上有日、月、行星和恒星，恒星組成二十八宿，分布於四方，曰蒼龍白虎朱雀玄武，中央軒轅之神。日月之徑千裏，出東入西，故天球東西增廣千裏，南北短減千裏，這一基本思想成為後代渾天學說的基礎。當然，這裏也有蓋天說的成分，如日影千裏差一寸之說。
《靈憲》中還有宇宙起源的各階段認識，最先為道根，經曆太素以前的很久時間，道根既建，太素始萌，渾沌不分，又經曆很久時間，是為道；道既育，有物成體，剛柔清濁分判，天成於外，地定於內，天圓而動，地平而靜，這為道實。道根、道、道實的階段論以動態的觀點認識宇宙的原始，這比傳說的故事前進了一步。
在研究《靈憲》這一篇天文學作品時，總會感到一些矛盾之處，這正是該文的缺陷或不成熟之處。前已提及這裏有渾天學說的基本思想，卻又有蓋天說的假設前提；書中有關於月食成因的最早解釋，認為地影掩蓋了月亮；但又說地影遮掩了恒星，星光也會微弱；講到天體麗附於天，天運左行，而麗乎天的日、月、五星周旋右回，其運動有快慢是與天遠近不同所致，又不麗附於天了。凡此種種，因而對它的研究和應用還要審慎地做些鑒別。
《乙巳占》
《乙巳占》，唐李淳風撰，《新唐書·藝文誌》載是書十二卷，但宋以後的著作如《玉海》、《直齋書錄解題》等均言十卷。觀現存之《乙巳占》十卷100篇，前九卷均萬言左右，而第十卷有3萬字33篇，疑後人將末三卷拚成一卷，以致與唐書卷數不符。
前八卷50篇基本上是天文星占內容，包括天體、太陽、月亮、行星、流星、彗星的占卜條文；後二卷是雲氣、風方麵的占驗，有不少氣象學的知識，是氣象史的資料。關於天文學的部分涉及麵很廣，李淳風年少時研讀星占著作，做了大量筆錄，大業年間(605—617)隋煬帝昏暴統治，致許多古籍失傳，因而他將數十種古籍分類編纂，寫成《乙巳占》。星占條文多來自古代星占書，而關於天文、曆法、儀器等內容多是他本人的研究，因而這對了解李淳風的科學成就很有裨益。
李淳風在書中提到了他的著作《曆象誌》，此書現已失傳，其內容是一種未經行用現在鮮為人知的曆法。其創作可能在麟德曆(665)之前的貞觀三年(629)，此時他才27歲。《乙巳占》中引錄了這一曆法的基本數據和推算方法，包括回歸年、朔望月長度、歲差值、五星會合周期和各星運動速度，而詳細內容在已失傳的曆象誌中。關於星占學的內容除了大量天人感應的糟粕，也還保存了一些天象記錄、行星視運動軌跡的描述和古代天文學名詞的含義，如表示兩天體距離的“度”與“寸”之間的關係，一度約相當於七寸；行星與月同經度而在月上方一度之內為“戴”；行星從留轉而逆行曰“勾”；再“勾”即又轉入順行為“巳”等，這些內容對古代天象記錄的理解很有幫助。
《開元占經》
《開元占經》，亦稱《大唐開元占經》，瞿曇悉達撰，成書於開元六年至十四年(718～726)，共一百二十卷。唐以後失傳，直至明萬曆四十四年(1616)才由安徽歙縣人程明善於古佛腹中重新發現，得以流傳至今。瞿曇氏為祖居長安的印度血統天文學家，他們一家數代供職於唐司天監，在天文曆算方麵頗有影響，單憑《開元占經》一書就可見他對中國天文學和中印文化交流的重大貢獻。
《開元占經》內容豐富。首卷引錄了張衡的《靈憲》和《渾儀圖注》兩篇文獻，接著敘述了唐之前各家對天的認識和描寫，可算是唐以前的天文星占大全，論天諸家的看法在這裏有綜合性的敘述，關於渾儀、渾象也有許多資料。後麵關於日、月、恒星、行星、彗流隕、客星、雲氣、物異等的星占條文收集了當時可見的70餘種著作，分類編錄，使許多現已失傳的書籍能知其大概。
除了大量的星占學內容，書中有許多天文曆法的寶貴史料。戰國時代著名天文家甘德、石申的著作已失傳，《開元占經》中留下了石氏測量恒星坐標的資料，經輯錄成石氏星表，有120多個星的赤道坐標，這是世界上最早的星表，由此還可以推測戰國時代的觀測儀器和方法以及渾天學說的曆史。書中關於二十八宿距度的記載，特別保留了古度的數據，這也揭示了漢以前二十八宿的演變情況。
關於曆法，秦以前的《古六曆》是佚失已久的了，它們的積年和一些基本數據卻可在《開元占經》中找到。當時行用的《麟德曆》，雖有唐書曆誌的詳細記載，但《開元占經》中的《麟德曆》經卻補充了唐書的不足，有些數據校勘可得到此書的幫助。尤其有價值的是《開元占經》中翻譯了印度的《九執曆》，把印度的天文學知識傳到中國，目前研究印度這部曆法，最重要的資料就是來自中國的這部占經。在數學方麵，印度學者編算的正弦函數表也在此首次傳入中國。
同《乙巳占》一樣，《開元占經》中也有大量占語，是迷信的東西，但它同樣也是研究星占術的資料，從中還可以知道不少古天文術語和名詞的含義。《開元占經》大量引用的各家占語是從戰國以來中國星占術情況的一個線索，它可以幫助我們了解各代星占家的思想，這些天文星占家的工作和當時的天文知識水平。
《觀象玩占》
《觀象玩占》，撰者姓名不詳。卷首有全天蓋天式星圖1幅，後分別為天、地、日、月、恒星、行星、彗流隕及雲氣、風角等占驗條文。觀其文，受《乙巳占》影響極大，許多地方均引《乙巳占》和“李淳風曰”等文字，卷首的星圖與北宋《新儀象法要》星圖和南宋蘇州石刻圖均不一致，其各恒星的占文比《乙巳占》和《宋史·天文誌》均詳盡。書中占驗天象記錄頗多，但隻引至唐末天福(複)二年(902)，當為唐以後撰成。書中沒有引用《開元占經》的文字，恐係撰書時《開元占經》已不可見。《唐書》、《宋史》、《文獻通考》等均未著錄，隻《明史·藝文誌》錄《觀象玩占》十卷，不知撰者，或言劉基輯，然現傳世之抄本有五十卷，《四庫總目提要》中提及各種抄本和刻本。據所見抄本來看，《觀象玩占》之作恐在唐宋之間，後人屢有傳抄並逐漸加大篇幅，但所引占驗天象僅迄於唐，其占文仍保留了較古老的狀態，是研究宋之前星占術的資料之一。
《甘石星經》
《甘石星經》，又稱《星經》或《石氏星經》。甘德和石申是戰國時人，齊國甘德、魏國石申，亦有說石申為楚人的，他們是當時著名的天文學家，甘德著有天文八卷，石申著有天文星占八卷，現均失傳。後人將一些古書中引錄的片斷重新輯錄起來，遂稱為《甘石星經》。除以星占條文為主外，各人都記錄了一些恒星的名稱、方位，互有交叉，故到三國時代天文學家陳卓將甘德、石申、巫鹹三家所記的恒星彙總起來，共得全天283星官、1464星，並以三種不同的顏色標在星圖上。後代人依此繪製星圖，製造渾象上的星象，成為古代全天星官名數的定型之數。考甘、石諸家的星名和分布，可見各家所記的星略有不同，可能流通地域也不一樣，形成的先後也各有不同。
《星經》中最有意義的一項是最早的一份全天星表，列出120多個星的赤道坐標，以入宿度(相當於赤經)和去極度(赤緯的餘角)表示，係來自《開元占經》的引錄。這一星表中有不少數據是戰國時的測量結果，表明石申已利用了測角儀器在赤道坐標係統中進行了天體位置測量，這一成績表明了我國戰國時代的天文學水平和儀器製造水平，這一星表也是世界上最早的。
《步天歌》
隋代丹元子著，又有說唐王希明所撰。《隋書·經籍誌》中未著錄，《新唐書·藝文誌》中首次著錄，稱“王希明《丹元子步天歌》一卷”，有人認為丹元子是王希明的號。從《步天歌》的內容來看，它按三垣二十八宿的區劃分割全天星空，同李淳風所著晉隋天文誌的分劃全然不同，而後代的星空區劃與《步天歌》相同，因而認為這是李淳風以後的作品，是有道理的。
《步天歌》是一組詩歌體裁的集子，共有詩31段，三垣二十八宿各一段。七字一句，押韻上口，配有星圖，讀著詩句就好像漫步在點點繁星之間，“句中有圖，言下見象”，便於辨認和記憶全天星名，是學習天文學的進階書。因此，它成為曆代天文機構中訓練初學者的必讀教材，民間也以它作為認星的指南，流傳極廣。另一方麵，它把全天星空區劃成31個大區，類似於現代的星座，對後世的影響也很大，因此，雖然《步天歌》是一首普及性的天文詩歌，但它在中國天文學發展史上確實發揮了不小的作用。
《靈台秘苑》
原為北周庚季才撰，據《隋書·經籍誌》載有一百二十卷，後又有說一百一十五卷者，但現本僅有十五卷，北宋王安石等人重修。卷首有步天歌，配以星圖，後按三垣二十八宿體係分別敘述各星位置，附各種星占條文。
本書的價值在於有一份星表，共345星，以入宿度和去極度表示赤道坐標值，是我國繼《石氏星經》後的第二份星表。從星表的研究分析可知，這份星表的觀測年代約在北宋皇年間(1049—1053)，它可以同北宋的其他恒星觀測對比，探討北宋恒星觀測的水平。
《景乾象新書》
北宋楊惟德撰，三十卷，這基本上是一本星占書，但也有許多恒星的坐標值。該書星占部分繼承了唐代星占書的一些條文，據《文獻通考·經籍考》，該書引用了許多唐武密所撰的《古今通占》，但其恒星坐標值卻與景年間(1034—1037)的恒星觀測值稍異，它可能又是來源於北宋的另一次恒星觀測。因此，對研究北宋時期的儀器製造和恒星觀測又多了一個資料來源。
《渾天儀圖注》
《渾天儀圖注》，又稱《渾天儀注》，是張衡為首創的漏水轉渾天儀所寫的一本儀器結構說明書，它不僅是渾天學說的重要著作，也是我國第一本天文儀器著作。
渾天儀即渾象，是一種演示天象變化的儀器。張衡之前已有人製造，但張衡把漏壺同渾象聯接起來，利用漏水計時的均勻性使渾象均勻運轉，自動地表現天象，故稱漏水轉渾天儀。渾象部分是圓球狀，四分為一度，直徑四尺六寸多，上有南北極，轉動軸沿此方向，兩極出沒於地平36度，周圍有恒顯圈(上規)和恒隱圈(下規)，中有赤道和黃道，斜交24度，赤道距天極91度多。黃赤道上有二至二分點，各有它們的去極度數。為了說明這個結構，《渾天儀圖注》先講了渾天學說的天地模型：天體如彈丸，地如雞中黃，天大地小，天包地，地在天中，天一半在地上，一半在地下，天地各乘氣而立，載水而浮，等等。這些看法成了渾天學說的基本觀點。
關於儀器的用途，《渾天儀注》講述了利用黃赤道的關係考察黃道進退數度，進行黃赤道換算。這一點在曆法計算中很重要，因為太陽循黃道運行，當時認為是均勻地一日行一度，但用赤道來度量會是不均勻的，其差數就是黃赤道差。由此還可解釋二十八宿的赤道距度同黃道距度的不同。
在《初學記》中還引錄了張衡漏水轉渾天儀的另一部件漏壺，張衡使用了二級漏壺，用來補償因水位變化而致漏水不均的缺陷，這一發明開創了補償式漏壺的先例。此外，在《新儀象法要》卷上的“進儀象狀”中，又記敘了張衡水運渾象的效果，“置密室中以漏水轉之，令司之者閉戶唱之，以告靈台之觀天者，璿璣所加，某星始見，某星已中，某星今沒，皆如符合。”這一創造對後世的影響極大。
《新儀象法要》
《新儀象法要》，三卷，北宋蘇頌撰，這是又一本天文儀器專著，講述水運儀象台的結構和原理，並附若幹零件圖樣共60幅。
卷上開頭有進儀象狀1篇，講述製造水運儀象台的始末和參加設計製作的人員，詳細回顧了水運渾象從張衡開創以來曆經唐一行、梁令瓚及宋張思訓等人的改進，指出蘇頌、韓公廉製儀象台的創新之處，是一篇水運渾象史。接著介紹渾儀的各種結構，17幅圖分別講各零部件的名稱、尺寸、作用，這是最詳細的一篇講渾儀製造的資料。
卷中介紹渾象的外形、結構，也是分零部件逐件介紹，附圖18幅，其中有渾象上麵全天恒星的星圖5幅。這5幅星圖分成兩個係統，一是以北極為中心的紫微宮(拱極區)星圖，配之赤道帶的橫圖，對於北半球的觀測者來說，北極區和赤道區都比較明晰；二是以赤道為分界的南北兩天球星圖，這種圖克服了我國傳統的蓋天式星圖的缺點，使南天諸星的位置失真不大，但由於南極區在北半球看不到，故圖上空白，這在我國古星圖中是首次出現。
卷下詳細介紹了水運儀象台的動力係統和報時係統各零件的形狀、尺寸，有圖25幅。報時係統能靈巧地報時，以鍾、鼓、鈴三種音響表示時刻，還有木人持牌顯示時刻，主要利用了各種齒輪傳動裝置。動力部分是漏壺。為了控製漏水的動力使儀象勻速轉動，發明了卡子，即擒縱器，是現代機械鍾表的關鍵部件。
《新儀象法要》是一本極有價值的天文儀器著作，同時也是一本機械工程著作，對揭示我國北宋時代的天文學和機械技術水平有重要的意義，所以它受到了國內外學者的高度重視。
表和圭
表
表就是直立在地上的一根竿子，是最早用來協助肉眼觀天測天的儀器。圭是用來量度太陽照射表時所投影子長短的尺子。兩者結合在一起用時，遂稱為圭表。從史料記載和發展規律來看，表的出現先於圭。
80年代初有人對甲骨文中有關“立中”的卜辭做了係統分析，認為這是殷人進行的一種祭祀儀式，是在一塊方形或圓形平地的中央標誌點上立一根附有下垂物的竿子，附下垂物的作用在於保證竿子的直立。在四月或八月的某些特定日子進行這種“立中”的儀式，目的在於通過表影的觀測求方位、知時節。這就表明在殷商時代人們已知立表測影的方法了。當然，在殷商之前，由於太陽的出沒伴隨著晝夜的交替，從原始社會起人們就知道判別方向應同太陽升落有關。早在新石器時代的墓葬群中，考古學家已發現其墓葬頭部都朝著一定的方向：西安半坡村朝西，山東大汶口朝東，河南青蓮崗各期朝東，或東偏北、東偏南。這顯然同日月的升落有關，隻是因為我們現在還不知道他們是如何定出這些方向來的，隻好將表的出現暫定為殷商有文字可考的時代。
殷商時代已知道用表來觀看太陽影子的旁證還有甲骨文中表示一天之內不同時刻的字。這些字都同日有關，如朝、暮、旦、明、昃、中日、昏等等，其中“中日”與“昃”二字更是明確表示日影的正和斜，是看日影所得出的結論。這一點同時也說明了表的一個用途，即利用表影方位的變化確定一天內的時間，這便是後代製成日晷的原理。
圭
關於圭的出現，在甲骨文中未見“圭”字，而詳細記錄有圭表測量的書是《周禮》、《周髀算經》、《淮南子》等，它們成書較晚。《周禮》一般認為成書於戰國，其中《考工記》篇，相傳是春秋末齊人所作。後二書則成書於西漢時代，因而一般人多認為圭的出現要在春秋戰國時期。按許慎《說文解字》，圭是做成上圓下方的美玉，公侯伯子男所執之圭有九寸、七寸、五寸之不同。因而圭的長短就是各人身分的標誌，換句話說，圭就是度量身分的尺子。
在《周禮》一書中多次出現了“土圭”和“土圭之法”二詞。有一種看法認為，“土圭”是用赤土做的標準尺，以避免尺的大小隨官方規定和地方習慣而不同，“土圭之法”即以這樣的尺為樣板來度量日影。這一製度未堅持到底，不過在某一意義上來說，它是現代鉑製米原器之類量具的先聲。另一種看法認為，“土圭”即度圭(土，猶度也。周禮·鄭注)，是石製的天文儀器，南北方向平放在地上，中午時量度太陽影子的長短，“土圭之法”就是觀測中午日影長度以定時令。
筆者以為，圭本身是一種表示官階身分的標誌，而“土圭”則是用於量度的圭，《周禮》中的《考工記·玉人》記載了土圭的製造和用途：“土圭尺有五寸，以致日，以土地。”使用土圭的“土方氏掌土圭之法，以考日景，以土地相宅，而建邦國都鄙。”管理土圭的“典瑞氏掌玉瑞玉器之藏……土圭，以致四時日月，封國則以土地。”《地官·司徒》載：“大司徒之職，以土圭之法，測土深，正日景，以求地中。……日至之景，尺有五寸，謂之地中。”這幾段記述說明用一尺五寸的圭去進行度量，求得時間和季節，也可求地方的南北所在(如求地中)，並未說明圭是同表一起，平放於南北方向而固定不動的。這裏也沒有提到表的高度，按《周髀算經》提供的數據，一般用八尺之表，則夏至時日影最短為一尺五寸，正好是圭之長。試想，在一年當中除了夏至日，其他時間的中午日影均長於一尺五寸，如果圭是固定的就無法度量日影之長了。因此，“土圭”和“土圭之法”應是從“表”發展到“圭表”之間的一個過渡，就是用一根活動的尺子去量度表影，以後才發展成將圭固定於表底，並延長其長度，使一年中任一天都可以方便地在圭麵上讀出影長，這才是圭表。
目前我們見到的圭表實物最早當推1965年在江蘇儀征東漢墓中出土的銅圭表。表身可折疊存放於圭上專門刻製的槽內，圭上的刻度和銅表的高度均為漢製縮小10倍的尺寸。圭表作為隨葬品埋入墓內，說明東漢時代圭表已很普及了。
東漢銅圭表示意圖從表發展成圭表是一個進步，是人們對立表測影要求精確化和數量化的體現。在一塊方形或圓形平地的中央直立一表，可以根據日出和日入的表影方向定出東西南北，也可以根據一天之內表影方向的變化定出一日內的時刻。當然，利用同一根表，每天中午在地上做下記號，以比較表影的長短可以定出一年內的季節，甲骨文中有“至日”或“勿至日”的卜辭，也有“南日告”的卜辭，說明商人已能大體定出冬至日，至於四方和一日內的不同時刻，商代也是明確的。可以說，隻要立一根表，不需要借助圭就可以完成上述三項任務。但圭表的出現使精確測量一年中各節氣中午影長成為可能，也為精確求得一回歸年的長度提供了可靠方法，這些都是製定曆法所必需的。
在《周髀算經》一書中還敘述了利用一根定表和一根遊表測天體之間角距離的方法：在一平地上先畫一圓，立定表於圓心，另立一遊表於正南方，當女宿距星南中天時，迅速將正南方之遊表向西沿圓周移動，使通過定表和遊表可見牛宿距星，這時量度遊表在圓周上移動的距離，化成周天度就是牛宿的距度，也就是牛宿距星和女宿距星間的角度。這裏有一個矛盾，按所敘方法測得的是地平經度，而二十八宿距度為赤道經度。這一矛盾給我們一個啟發，即戰國時代石申測定二十八宿距度和若幹恒星的赤道坐標編製“石氏星表”時，測定它們的赤經和去極度是否使用類似的方法，隻不過是在赤道麵內和子午麵內分別測量，而《周髀算經》誤為在地平麵內測量了。1977年在安徽阜陽地區出土了西漢初年的一具二十八宿圓盤，上下兩盤互相重疊，邊緣刻二十八宿距離和周天度數，中有通孔，邊有小孔，隻要將圓盤分別置於赤道麵內或子午麵內測量就可完成赤道坐標的測定。這一實物給我們一定的啟示，或許測量角度的儀器如渾儀乃是由定表和遊表在不同平麵內測角距的方法發展而來的。
表，這一最簡單最早出現的儀器，後來得到了很大的發展和改進。為了使表影清晰，將表頂做成尖狀的劈形或加一副表，與主表之影重合；為了提高表影測量精度，既加高表身，又發明相應的設備景符；為了測定時間，製成日晷，有赤道式的也有地平式的；為了使表不僅能觀測日影，使既能觀月，也能觀星，又發明窺幾等等。總之，表及圭在我國古代天文學的發展中起了相當大的作用，是一類重要的古代天文儀器。即使現在，它的定方向、定時刻的功能有時還會給人們幫忙呢!
漏和刻
漏，是漏水的壺，借助水的漏出以計量時間的流逝，是守時儀器。
刻，是帶有刻度的標尺，與漏壺配合使用，隨壺水的漏出不斷反映不同的時刻，屬於報時儀器。
漏壺的起源應是相當早的。原始氏族公社時期就能製造精美的陶器，總會出現破損漏水的情況，而漏水的多少與所經時間有關，這就是用漏壺來計時的實踐基礎。人們從漏水的壺發展到專門製造有孔的漏壺，這一儀器就誕生了。據史書載：“漏刻之作蓋肇於軒轅之日，宣乎夏商之代。”《隋書·天文誌》也道：“昔黃帝創觀漏水，製器取則，以分晝夜。”軒轅黃帝是傳說中的人物，漏壺為他所創不盡可信，但說在夏商時代有了很大發展還可考慮。上節已經說過，殷商時代已知立杆測影，判方向、知時刻。最近也有人研究百刻時製的起源地點，認為在殷商之都安陽的地理緯度上，因而漏和刻的發明不會晚於商代。
英國人李約瑟博士在談到漏刻時，首先十分肯定地說刻漏不是中國人的發明，因為從楔形文字的記載及埃及古墓出土物中知道，巴比倫和埃及在商之前已用滴水計時。但他在追求中國和埃及亞曆山大裏亞城的受水型漏壺之間關係如何時，又感到頗難弄清楚。後來他注意到，公元120年才確實有一批西方使者到達中國，中國西漢時張騫在公元前2世紀到達了中亞地區，而中國的漏壺可上溯到張騫之前，於是他認為中國的漏壺是否從亞曆山大裏亞城傳入還是懸案，甚或可能是從中國傳出的，但他很難承認兩者是完全獨立的發明。最後他提出，大概最合理的說法是雙方都是從中亞的新月地帶和古埃及傳入的。
從文獻史料和邏輯推理來看，漏的出現當早於刻。在先秦典籍中，早已見到有關漏的記述，而隻有在漢代以後文獻中才見到有關刻和漏刻的描寫。最原始的漏壺不可能有什麼節製水流的措施，隻是讓其自漏，從滿壺漏至空，再加滿水接著漏。顯然滿壺和淺壺漏水的速度不同，但一壺水從滿漏至空都是大體等時的，如內蒙古杭錦旗1976年出土的西漢漏壺每次漏空大約10分鍾，因而計量時間可用漏了多少壺來表示。為了不間斷地添水行漏，計數漏了多少壺，需要有人日夜守候，這也許就是《周禮·夏官司馬》中提到“挈壺氏：下士六人，史二人，徒十有二人”的原因。
如此眾多的人員守候一個漏壺顯然是很大的負擔，人們必然會產生節製漏水速度的要求，或在壺內壁出水口處墊以雲母片，或在漏水孔中塞以絲織物等，使漏水緩慢而又不斷，這樣每一壺水漏出的時間長了，減輕了不斷添水的負擔。但是卻不能以漏多少壺來計時，而要隨時注意漏壺裏的水漏掉多少，這就是刻產生的基礎。最初可能是在壺內壁上刻畫。漢許慎《說文解字》解釋漏時說：“漏，以銅受水，刻節，晝夜百刻。”可能就指這一情況。後來為了便於讀數，就放一枝箭在壺裏，在箭杆上劃刻度，看水退到什麼刻度就知道時間了。
由於漏水速度的減慢，改用刻來做計量時間的單位，壺水的滿淺影響漏水速率的問題就顯得突出起來。可以說，中國漏刻技術幾千年的發展史就是克服漏水不均勻、提高計時精度的奮鬥過程。其間也有箭舟的創造，沉箭式和浮箭式的使用，稱漏的發明以及擊鼓撞鍾等巧妙的設計。這裏：箭舟是浮在漏壺裏的小舟，載刻箭以浮；沉箭式是指隨著水的漏出，壺裏水麵下降，箭舟載刻箭下沉而讀數；浮箭式是指另用一不漏水的箭壺積存漏出的水，水越積越多，水麵升高，箭舟載刻箭浮起而讀數；稱漏是稱漏出之水的重量來計時。但它們都屬於報時和顯示時間的一類，其報時的準確程度均受到漏水是否均勻的影響。
為了克服壺裏水位的滿淺影響漏水的速率這一問題，最初想到的當然是不斷添水以保持壺裏水位的基本穩定，這樣沉箭式就不能使用，必然出現浮箭式。不斷添水這一工作又是件麻煩的事，因而就出現多級漏壺，用上一級漏壺漏出的水來補充下一級漏壺的水位，使其保持基本穩定。顯然，這樣的補償壺越多，最下麵一個漏壺的水位就越是穩定。東漢張衡做的漏水轉渾天儀裏用的是二級漏壺，晉代的記載中有三級漏壺，唐代的製度是四級漏壺。從理論上來說還可以再加，但實際上是不可能無限製地增加補償漏壺的數量的，因此保持水位穩定這一問題並未徹底解決。
平水壺示意圖公元1030年，宋代科學家燕肅邁出了關鍵性的一步，他拋棄了增加補償漏壺這一老路，采用漫流式的平水壺解決了曆史上長久未克服的水位穩定問題。這一發明在他製造的蓮花漏中第一次使用。蓮花漏隻用二個壺，叫上匱和下匱，其下匱開有二孔，一在上，一在下，下孔漏水入箭壺，以示浮箭讀數，而從上孔漏出的水經竹注筒入減水盎。隻要從上匱來的水略多於下匱漏入箭壺的水，下匱的水位就會不斷升高，當要高於孔時，多餘的水必然經上孔流出，使下匱的水位永遠穩定在上孔的位置上，這就起了平定水位的作用，使下匱漏出的水保持穩定。
平水壺的發明和使用，是漏壺發展史上的重大成就。自宋代以後，平水壺廣泛應用於漏壺中，甚至發展成二級平水壺，使穩定性更加提高。在北京故宮的交泰殿裏完整保存了一套乾隆九年(1744)製的漏壺，它采用了一級補償壺，一級平水壺，將古代漏壺技術的兩大途徑融合在一起，完成了皇宮裏的計時任務。
在解決水位穩定的漫長歲月中，對其他影響漏水精度的問題也做出了許多發現和改進。其中有保持水溫、克服溫度變化影響水流的順澀；采用玉做漏水管，克服銅管久用鏽蝕的問題；渴鳥(虹吸管)的使用，克服了漏孔製造的困難；用潔淨泉水，克服水質影響流速；采用控製漏水裝置“權”，調節流水速度，等等。這些無疑也是中國漏壺發展史上的成就。
由於曆代科學家的不懈努力，漏壺技術得到了很大發展，這給我們研究中國漏刻提出了一個重要問題：古代漏壺的計時精度如何?這是一個看來容易實際難的問題，雖有不少人做了很多工作，但迄今為止並沒有一致的看法。這固然有許多客觀的困難，如古代漏壺實物完整保留至今的很少。(傳世的漏壺，僅西漢單壺三件，元代延漏壺一套，元明時代漏壺組中的二個單壺，以及清代漏壺一套)刻箭多用竹木製造，存留傳世的幾乎不見，要模仿古人的用水，操作等程序也不易做到，等等。因此，用模擬實驗的方法估計漏壺精度遇到不少困難，隻在50年代對故宮交泰殿漏壺做了實驗，結果是每小時漏水3．5公斤，每天要漏84公斤水，24小時誤差為10分鍾左右。這是我們對清代漏壺精度的大體認識。
對於前代的漏壺精度，隻能從文字材料中去推求。有人認為，將一天分為100刻的計時製度在商代出現時必須有能讀到“刻”的計時工具，而直到西漢時漏刻的精度不會高於1刻。又有人認為東漢時漏壺測量精度可達0．5刻左右(《自然科學史研究》第二卷4期，1983年，第306頁)，而隋唐以後漏刻精度可達1～2分鍾之內，宋代燕肅蓮花漏的誤差(指一晝夜的誤差)最多約為1分鍾。
上述估計問題很多。首先，對東漢漏刻精度為半刻的估計，很難令人信服，這一精度估計的根據是《後漢書·律曆誌》中載有後漢四分曆的冬至日晝夜漏刻之比為45∶55，說此值與現代計算的比較，誤差在0．5刻左右。按東漢都城洛陽的經緯度計算冬至日太陽出沒時刻為7時33分和17時21分，即從日出到日沒為9時48分，從日沒到日出為14時12分，化為百刻製為40．84∶59．16；采用秦漢時代對昏旦的規定，晝夜漏的起點即昏旦與太陽出沒相距3刻或2．5刻，這樣晝夜漏之比為43．84∶56．16，與45∶55相差1刻以上。若再考慮天文或民用晨昏曚影，洛陽地區為91分和28分，其結果相差更大，幾種算法均得不到誤差為0．5刻的結論。
可是，同樣是在《後漢書·律曆誌》中卻有另一條記載，永元十四年(102)“據儀度、參晷景”考校漏刻，結果發現“官漏失天者至三刻”，這也許反映了東漢時漏刻的精度情況。有人以為，東漢張衡發明了補償漏壺，計時精度應有提高，而且晉代有三級漏壺，唐代增至四、五級，精度更要提高，於是估計可達1～2分之內。在《唐書·曆誌》中有一條資料，回顧梁大同九年(543)虞鄺有一段議論：“水有清濁，壺有增減，或積塵擁塞，故漏有遲疾，臣等頻夜候中星，而前後相差或至三度。”三度約相當於12分鍾不到，這可能代表了那時的精度。
到了宋代，有燕肅平水壺的發明，又有沈括將平水壺增至二級，漏壺精度當有提高，但說其最多約為1分鍾，看來理由並不充足。李廣申在1963年曾經著文，認為《新儀象法要》中記昏曉中星和太陽方位用了“弱”、“少弱”等字眼，表明赤經觀測精度為1／12度，相當於20秒，以此認為當時漏壺計時精度達20秒。後來李誌超在1978年著文，認為沈括的漏壺20秒相應於箭杆上1／4毫米的長度，這是可以達到的讀數精度，因而認為20秒的結論是對的。其實，李廣申的證據“弱”、“少弱”等詞在《後漢書·律曆誌》、《晉書·律曆誌》中記載昏旦中星時都已用過，並不能認為東漢、晉代的漏壺精度已達20秒。至於將箭刻的讀數精度當做漏壺的計時精度，這其間包含有概念性誤會。當然，箭刻上的讀數是由漏壺的漏水決定的，箭刻的刻度越細，讀數精度越高，但它同漏壺的計時精度完全是另一碼事。打個簡單的比方，如果手表每天誤差是5分鍾，但隻要它是長三針的，任何時候都可以讀到幾點幾分幾秒，殊不知這個讀數與真實時間相去甚遠。這隻能表示該手表讀數精度是1秒，完全不能代表它的走時精度，這個道理是極其明顯的。正因為這個原因，任何守時和授時儀器都要同時間標準作比對，得出時號改正和每台鍾的日速。日速(一天的快慢量)才是表示計時器精度的量。我國古代雖然沒有時間基準、時號改正和日速這樣的概念，但很早就知道用測日影和觀測恒星的方法同漏刻作比對，以校準漏刻。在這裏，圭表測景所得到的真太陽時和觀星得到的恒星時被看成了時間基準，古人並不知道這兩者之不同，我們也不必苛求。但是，上述問題又給我們提出了中國漏刻研究中的另一個重大問題，即漏刻如何校準和操作。
這個問題同前一個問題相似，至今也沒有統一的說法，這主要是遺留的實物太少，文獻記載又不甚清楚，隻能從零星的記述中去推考。早在殷商時代已知道立表測景來測知時間，但夜晚和陰雨多雲天氣就無法觀日影了，隻能代之以漏壺，這兩者同時並用，它們是否一致就必須引起人們注意。最早見到文獻中記載表和漏並用的是《史記·司馬穰苴列傳》，講到齊景公時(前547～前490年在位)司馬穰苴同賈莊二人約會於中午，司馬“立表下漏待賈”，至時賈不到，司馬“仆表決漏”，宣布了賈的遲到。
東漢時桓譚(前?～56)曾負責漏刻工作。他發現天氣的燥濕寒暑影響漏刻的準確，於是在黃昏、黎明、中午、半夜都要校準，“晝日參以晷景，夜分參以星宿，則得其正”。對於沉箭漏來說，水漏完了必須加水重新起漏，加水所需時間迫使漏刻不能連續工作；對於浮箭漏來說，加水可以隨時進行，但箭壺的水滿了以後要將水倒掉重新接水，退水所需的時間也迫使漏刻不能連續工作。因此，加水和退水的時機要選擇好，當然最好選擇在校準漏刻的時候，利用加水和退水的時間調節漏刻，對於一天校準四次、二次或一次的漏刻，要設法保證它連續工作25刻、50刻或100刻。為了達到這些要求，製漏者必須事先在壺的大小和水流速率方麵進行選擇和設計，製成後不斷進行調正。很遺憾的是，現在我們隻能在宋代燕肅和沈括的漏壺中看到很少關於這方麵的資料。
跟晷景校準和漏壺精度有關的一件事是沈括是否用漏刻發現了真太陽日不均勻的問題，這個問題引起了不少研究者的興趣。沈括在《夢溪筆談》中提到，過去的漏刻家總以為冬日水澀，夏日水利，造成漏刻遲疾，與天運不符。他則從理論上考慮，認為“冬至日行速，天運已期，而日未至表，故百刻而有餘；夏至日行遲，天運未期，而日已過表，故不及百刻”。沈括第一次提出了太陽視運動不均勻引起真太陽日(太陽連續二次到達正南方的時間間隔為一個真太陽日)長度不等的問題，這是難能可貴的。但是引起太陽視運動不均勻的原因，除了沈括說的，還有黃道斜交於赤道的原因，這兩個原因中國古代早已知之。由於它們的聯合作用，真太陽日在12月23日前後最長，為24小時加30秒左右，而最短日在6月13日前後，為24小時不足21秒多，並不正好是冬、夏至日。此外，一年當中隻有11月28日至1月15日的49天真太陽日比24小時長20秒以上，9月6日至9月28日的23天比24小時短20秒以上。如果沈括的漏刻每晝夜的計時誤差不超過20秒的話，他隻能在12月份和6月份作出真太陽日不均勻的發現，其他時間是不可能的。上海天文台的郭盛熾在1979年曾撰文詳細分析這一問題，認為沈括發現的漏壺遲疾不能肯定是真太陽日不均勻所引起。筆者認為沈括關於真太陽不均勻的話隻是理論上的推測，並未能用他的漏壺做出發現，他的漏壺精度沒有達到每天30秒的水平。
渾儀
渾儀是我國古代天文學家用來測量天體坐標和兩天體間角距離的主要儀器，由於它的重要性，曆代均有研製。保存至今的明製渾儀和清製渾儀結構合理、鑄造精良、裝飾華麗，成為古代天文儀器的精品，甚至成為我國古代科技文明的象征。
渾儀現在，談到渾儀的最早製造一般都引用這樣兩條資料：
“或問渾天。曰：落下閎營之，鮮於妄人度之，耿中丞象之。”(楊雄：《法言·重黎》)
“落下閎為漢武帝於地中轉渾天，定時節，作太初曆。”(《隋書·天文誌》)
落下閎是漢武帝時人，他營造了一個渾儀，另一位天文學家鮮於妄人用它來測量，而宣帝時的大司農中丞耿壽昌則做了一個渾象來模擬天球的運動。這裏，西漢末年的楊雄並沒有說渾儀是落下閎發明的，隻是說他製造了一個渾儀。那麼，在落下閎之前還有什麼線索呢?以下幾點值得考慮：
首先，戰國時代的石申約是公元前4世紀人，他曾著《天文》八卷，其中有100多顆恒星的地道坐標，以入宿度表經度，去極度表緯度，單位為度，度以下用少、半、太、強、弱等字表示。這說明石申的時代應該有測量角度的儀器，並且能測出比1度還小的角度。
其次，分周天為36514度的製度應同四分曆的創製有關，而先秦四分曆的形成年代很可能在公元前四五世紀的戰國時代。
第三，1973年長沙馬王堆出土了《五星占》一部，其中記有公元前246年至前177年間木、土、金三星的行度，度以下的單位為分，而1度為240分。
第四，1977年在安徽阜陽從西漢初年的古墓中出土一套二十八宿圓盤，除有二十八宿距度外，還有古度，跟《開元占經》所記《石氏星經》中的古度數相符合，這說明“古度”係統確是存在的。
第五，三國時吳國天文學家王蕃曾說：“渾天遭周秦之亂，師徒斷絕而喪其文，惟渾儀尚在靈台，是以不廢，故其法可得言，至於纖微委曲闕而不傳。”
以上這些資料和實物都表明；在秦漢之前已有測量角度的儀器，亦或已存在渾儀這樣的測角儀器。在本章第一節中曾描述過出土的漢初二十八宿圓盤的用法設想，有可能最初的測角儀器是平麵的盤，在某一平麵內測角。《後漢書·律曆誌》中曾提到“圓儀”的儀器，可能也是一種平麵測角工具，但天體定位需要兩個坐標，必須將平麵的測角工具在赤道麵和子午麵內分別使用二次，這樣必然會想到立體的測角工具，而將平麵的盤立起一轉就形成一個圓球，所謂“立圓為渾”，或許渾儀的出現曾經曆了從圓到渾的發展過程。
我國古代渾儀從誕生到變成曆史文物，經曆了從簡單發展到複雜又回到簡單的過程。戰國至秦或許是它的誕生時期，漢唐時期是研製、創新、定型階段，宋元時期是它的高峰，明代以後創新和鑄造的熱情明顯下降。
渾儀的構造包括三個基本部件，首先是窺管，通過這根中空管子的上下兩孔觀測所要測的天體；其次是反映各種坐標係統的讀數環，當窺管指向某待測天體時，它在各讀數環中的位置就是該天體的坐標；此外就是各種支承結構和轉動部件，保證儀器的穩固和使窺管能自由旋轉以指向天空任何方位。
最初的渾儀結構比較簡單，隻有一根窺管和赤道係統的讀數環並兼做支架的作用，在《隋書·天文誌》中最早留下了南北朝時孔挺於公元323年製的渾儀結構，即如上述，它就是“古之渾儀之法者也”。公元412年，北魏斛蘭製鐵渾儀，增加帶水槽的十字底座，底座上立四根柱子支承儀器。這樣，讀數係統與支承係統就分開了。到唐代，由於李淳風和一行、梁令瓚等人的努力，渾儀的三重環圈係統建立起來，成為後世渾儀結構的定型式。
渾儀的三重環圈各有名稱，最裏麵的是四遊環或四遊儀，它夾著窺管可使之自由旋轉；中間一重是三辰儀，包括赤道環、黃道環、白道環，上麵都有刻度，是各坐標係統的讀數裝置；外麵一重是六合儀，包括地平、子午、赤道三環，固定不動，起儀器支架作用。考察曆代所製渾儀，都可以按這三重環圈體係來分析它們的結構。英國李約瑟博士在《中國科學技術史》一書中列出了一張表格，分析了十幾架渾儀的結構，可資參閱，但其中有一些可能對古代資料的理解有誤，將渾象誤為渾儀。
由於天體的周日運動是沿赤道平麵的，所以隻有赤道係統能最方便地表示天體的坐標，黃道和白道就顯得很麻煩，而且，由於歲差的原因，赤道和黃道的交點不斷變化，使黃赤道的位置不固定。一行和梁令瓚所鑄黃道遊儀就是為了解決這個問題而設計的，他們在赤道環上每隔1度打一孔，使黃道環能模仿古人理解的歲差現象不斷在赤道上退行。類似的情況是白道和黃道，李淳風就在他製造的渾天黃道儀的黃道環上打249個孔，每過一個交點月就讓白道在黃道上退行一孔。這樣的設計雖說巧妙，但使用上卻帶來不便，精度上也受影響，後來遂被廢除。
宋代的渾儀鑄造主要在北宋，大型的就有五架，每架用銅總在1萬公斤以上，可見其規模之大。而且宋代渾儀也注意精度方麵的改良，如窺管孔徑的縮小，降低人目移動造成的誤差；調正儀器安裝的水平和極軸的準確，降低係統誤差；又發明轉儀鍾裝置和活動屋頂，成為中國天文儀器史上兩大重要發明。
渾儀到了宋代已是環圈層層環抱的重器，它在天文測量和編曆工作中起了很大的作用，但也漸漸顯示了多重環圈的弊病：安裝和調正不易，遮蔽天空漸多，使許多天區成為死區不能觀測。因此，宋代之後已在醞釀渾儀的重大改革，這就是元代簡儀的創製。
要追蹤曆代渾儀的下落是件不容易的事。木製的當然不易保存下來，即使是銅鐵鑄的也因年久湮滅和戰亂毀壞而不存。漢代渾儀現在已無法研究，隻知張衡(78～139)以後著名學者蔡邕(132～192)還見其在候台，流放朔方後他仍思念要寢伏儀下，探索天文學問題。前趙南陽孔挺於公元323年所鑄渾儀，後經魏晉喪亂，沉沒西戍，義熙十四年(418)宋高祖(劉裕)定鹹陽得之，至梁時置於重雲殿前。北魏斛蘭412年所鑄鐵渾儀使用了200年，至唐時仍置於太史候台之上，但已經鏽蝕，轉動不靈，誤差太大，不能使用，於是李淳風另鑄新儀。
唐初李淳風於貞觀七年(633)鑄成渾天黃道儀，唐太宗令置於凝暉閣，以用測候，“既在宮中，尋而失其所在”，而該儀的“用法頗難，術遂寢廢”，這架儀器在皇宮內下落不明。後一行、梁令瓚又鑄黃道遊儀，開元十三年(725)成，玄宗親為製銘，置之於靈台以考星度。此儀下落也未交代。但一行和梁令瓚同時鑄造的渾象被置於武成殿前，無幾而銅鐵漸澀，不能自轉，遂藏於集賢院，不複使用。從這裏可知，當時冶鑄的儀器比較容易鏽蝕。
宋代渾儀的遭遇要複雜些，北宋為金所滅，開封的五大渾儀全被虜至金都，運輸過程中損壞的部件均被丟棄，渾儀被置於金太史局的候台上，但因開封和北京緯度差達4度，觀測時需作修正。金章宗明昌六年(1195)八月，雷雨狂風使候台裂毀，渾儀滾落台下，後經修理複置於台上。公元1214年，北方蒙古族南下攻北京，金宣示南渡開封，倉皇出逃，宋代渾儀搬運困難，隻好放棄而去，宋代儀器再次受到毀壞。至元代初年吳師道在城外記遊詩中還曾提到宋皇渾儀廢棄在金代司天台上。(元吳師道九月二十三日城外記遊詩雲：“清台突兀出天半，金光耀日如新磨，璣衡遣製此其的，眾環侍值森交柯，細書深刻皇字，觀者歎息爭摩挲，司天貴重幸不毀，回首荊棘悲銅駝”)《元史·郭守敬傳》中也提到：“今司天渾儀，宋皇中汴京所造。”可見，到元代初年，宋代渾儀隻有皇年間(1051)周琮等人所造的一架還有線索，其他的都已不明。
北宋亡後，高宗南渡，偏安江南，在杭州曾鑄造過二三台小型渾儀，置於太史局、鍾鼓院和宮中，但下落均不明(《宋史·天文誌·律曆誌》)。
明建都南京後，洪武十八年(1385)將北京的宋、元渾儀運至南京雞鳴山設觀象台，二十四年(1391)鑄渾儀。明成祖遷都北京後儀器並未運回北京，而是派人去南京做成木模到北京來鑄造，1437年鑄成，置於明觀象台上(即現在的北京古觀象台)。清康熙七年(1668)，欽天監請將南京的郭守敬所造儀器運回北京(《清朝文獻通考·象緯考》)。康熙五十二、三年間梅成在觀象台下見到許多前代舊儀，言“元製簡儀、仰儀諸器，俱有王恂郭守敬監造姓名”。康熙五十四年(1715)歐洲傳教士紀理安提出鑄造地平經緯儀，將台下元明舊儀，除明製簡儀、渾儀、天體儀外，盡皆熔化充作廢銅使用，遂使元明舊儀不複留存，實在令人惋惜和氣憤。這裏有幾點應該指出：清初從南京將元明舊器運回北京時有否全部運回?尤其是宋皇渾儀，清代文獻均未提及，是否仍遺於南京?又元代郭守敬所鑄儀器甚多，明洪武二十四年也曾在南京鑄渾儀；梅成的話太籠統。所以關於宋、元、明舊儀的下落還有待進一步研究和發現。
目前陳列在北京古觀象台上的儀器為清代鑄造，而在南京紫金山天文台上的渾儀、簡儀則是明仿製的宋元舊儀。
簡儀
簡儀，1279年元初郭守敬創製，現存紫金山天文台之簡儀為明正統年間(1437)複製品，而郭氏原器毀於清康熙五十四年(1715)。簡儀是重要的觀測用儀器，由渾儀發展而來。因其簡化了渾儀的環圈重疊體係，又將赤道坐標與地平坐標分開，不遮掩天空，觀測簡便，故後人以此作為簡儀名稱之由來。
簡儀英國人李約瑟博士提出了另一種說法，他認為簡儀的來曆要溯源於一位西班牙穆斯林天文學家賈博·伊本·阿弗拉，他於1170年製成了一架黃赤道轉換儀，能方便地將一種球麵坐標變換成另一種。1267年紮馬魯丁可能將這一知識帶到中國，郭守敬建造簡儀時采用了這一知識而簡化了其中的黃道坐標部件，因而郭守敬成了赤道式裝置的創始人。這一說法並未得到人們的讚同，實在是因為赤道式裝置在中國古已有之，曆代之渾儀渾象均已采用，且渾儀發展到宋代，環圈重疊的弊病已趨明顯，宋代鑄儀時已考慮簡化的問題。至於紮馬魯丁攜來的西域儀象，文獻中未提到黃赤道轉換儀。因此，上述說法自然難於接受。
要說簡儀曾受到阿拉伯儀器的影響和啟發，或許還是有的。比較明顯的是簡儀上百刻環的刻度，除分為100刻之外，每刻又分成36分，這就相當於將周天3600分，這是在郭守敬之前的中國儀器上沒有過的。而周天360度分劃在唐代和元代都曾傳入中國，特別是紮馬魯丁的儀器用360度製，這可能是郭守敬在創製簡儀時受其啟發的一個例子。此外在簡儀上沒有用曆來沿用的窺管，而是改用窺衡，將中空的管子改成一根尺，兩頭立起一小銅片，上麵開小孔，小孔中置一細線，用上下孔中兩條細線與天體重合定準天體的位置，這裏既有阿拉伯儀器上照準器的影響，也有郭守敬的創新。
簡儀，就其結構來說是一個含有四架簡單儀器的複合儀器，或許稱複儀更為合適。它的主要部分是一架赤道經緯儀，可算是傳統渾儀的簡化，它隻有四遊環、赤道環和百刻環，而後兩環重疊在一起置於四遊環的南端，使四遊環上方無任何規環遮掩，一覽無餘。在赤道和百刻兩環之間安裝有四個銅圓柱，起滾動軸承的作用(明複製品中沒有)，這一發明也早於西方200年之久。另一部分是地平經緯儀，又稱立運儀，就是直立著運轉的儀器。這也是新創造的，可以測量天體的地平經緯度。它隻有二個環，一個地平環，水平放置，在地平環中心垂直立一個立運環，窺衡附於其上，起四遊環的作用。其他二部分是候極儀和正方案，候極儀裝於赤道經緯儀的北部支架上，以觀北極星校準儀器的極軸，使安裝準確。正方案置於南部底座上，它既可以攜帶走單獨使用，在這裏也可以校準儀器安裝的方位準確性(現存簡儀上正方案的位置在明末清初換上了平麵日晷)。在《元史·天文誌》裏列舉郭守敬創製的儀器名稱，首先就是簡儀，而立運儀、候極儀、正方案的名稱又另外列出，可見郭守敬所指的簡儀就是單指其中的赤道經緯儀，但當時既無這一名稱，它又同傳統的渾儀形狀不同，考其作用正如渾儀，結構比渾儀簡化。故郭守敬稱其簡儀也是合理的。
仰儀
仰儀是郭守敬創製的另一架重要儀器，形如一口大鍋仰麵朝天，鍋內刻赤道坐標網，在半圓球的球心處設法置一銅片，中開小孔，利用小孔成像的原理將太陽像成在大鍋的內壁上，從刻成的經緯網中立即可以看出太陽的坐標。這一儀器免除了仰麵觀測的不方便，又避免了人眼直接觀日的光芒刺激。它既可以測知太陽的坐標，又可判斷時間，日食時還可以方便地觀測虧起方位和食分，是一架用途廣泛、使用方便、鑄造容易的儀器。這一發明不久便傳到朝鮮和日本，至今朝鮮還保存有17世紀時製造的仰釜日晷。
在天文儀器的製造中，利用小孔成像的原理，這在中國是絕無僅有的，就是在世界古代天文儀器中也未見過，郭守敬是首創者。同時，在郭守敬創造的儀器中還有一件景符，是配合高表觀日影用的，利用的也是小孔成像原理，這表明郭守敬的這一創造並非偶然。在我國古籍中，關於小孔成像的描述最早見於戰國時代的《墨經》，南宋以後該書流行甚廣，郭守敬研究其中的知識作出創造是完全可能的。
仰儀由於明清兩代的南北遷移和人為毀壞，今已不存。但是根據仰儀的形式和原理製作的小型日晷在民間肯定流傳甚廣。北京市文物管理所在“十年動亂”中曾從垃圾堆裏揀到一塊象牙製的仰釜日晷殘品，在朝鮮也保存有100多年前製作的類似日晷，其北極出地高度為37度多，這一緯度跟郭守敬的故鄉河北省邢台非常接近。北京天文館已複製出一架仰儀，放置在北京建國門立交橋南的古觀象台上，使後人得以重睹它的光彩，也使先人之偉大發明不致湮滅無存。
渾象
渾象是另一類古代天文儀器，主要用於象征天球的運轉，表演天象的變化。有時也稱渾天象或渾天儀，甚至稱為渾儀，同用於觀測的渾儀互相混淆。
渾象提起渾象或渾天儀，人們馬上會想到張衡創製渾天儀，這實在有些誤會。東漢科學家張衡確實製造過一架渾象，稱“漏水轉渾天儀”，但渾象的發明在張衡之前。在前麵講渾儀時曾提到西漢宣帝時大司農中丞耿壽昌就曾製造過渾象，所以在張衡之前渾象已經出現了。至於耿壽昌之前的情況，現在還沒有資料，因此渾象的發明還是個謎。
那麼張衡對渾象有沒有貢獻呢?有的。張衡發明了水運渾象，即以水力轉動渾象，使之能自動旋轉，同天象的運轉協調一致，能比較準確地表演天象的變化。因此，隻要將張衡的水運渾象放在屋子裏就可以知道外麵的天象，在大白天也可以知道什麼星到了南中天。這一貢獻開創了後代製造自動旋轉儀器的先聲，導致了機械計時器即鍾表的發明，對世界文明的發展影響深遠。
渾象的基本形狀是一個大圓球，象征天球，大圓球上布滿星辰，畫有南北極、黃赤道、恒顯圈、恒隱圈、二十八宿、銀河等等，另有轉動軸以供旋轉。還有象征地平的圈(在圓球之外)或框，亦或有象征地體的塊(在圓球之內)。由於大圓球的轉動帶動星辰也轉，在地平以上的部分就是可見到的天象了。
在耿壽昌和張衡之後，各種尺寸的渾象幾乎各代都有製造，但有的是不能自動旋轉的，有的則仿照張衡的做法，用漏水的動力使渾象隨天球同步旋轉，而這後一類自動渾象在唐和北宋時代得到了長足的發展，其中重要的是一行、梁令瓚和張思訓、蘇頌、韓公廉等人的創造性工作。一行和梁令瓚在唐開元十一年(723)製成了開元水運渾天俯視圖，或開元水運渾天，首次將自動旋轉的渾象同計時係統綜合於一體，設兩木人按辰和刻打鍾擊鼓。沿著這一想法，北宋天文學家張思訓於公元979年做了一台大型的“太平渾儀”，名曰渾儀，實際上是一個自動運轉的渾象，做成樓閣狀，有12個木人手持時辰牌到時出來報時，同時有鈴、鍾、鼓三種音響，該儀以水銀為動力，因其流動比水穩定，啟動力量也大。後來，蘇頌、韓公廉又建成了約12米高的水運儀象台，將渾儀、渾象、計時係統綜合於一身，達到了自動渾象製造的頂峰。
1958年，王振鐸先生根據蘇頌的著作《新儀象法要》考證了水運儀象台的結構，複製成功了這台儀器的縮小模型，陳列於中國曆史博物館。差不多同時，英國李約瑟等人也做了類似的工作，倫敦郵政總局的孔布裏奇先生也按其研究和理解複製了一件。通過他們的研究，一致認為其中控製運轉的關鍵部件卡子乃是後世機械鍾表中擒縱器的雛形。在西方機械鍾表問世前的6個世紀，一行等人已做出了這一發明。李約瑟說，這一發明使我們看到了從漏水計時到現代化機械鍾表發展過程中的關鍵一環。
渾象的研製到了元代有新的發展，郭守敬以他的創造性才能確使渾象出現了新的麵貌和用途。在郭守敬為編製授時曆和建設元大都天文台而創製的儀器中有渾象一架，半隱櫃中，半出櫃上，其製作類似前代。另還有一件前所未有的玲瓏儀，關於此儀，所留資料不多，致使研究者產生兩種不同的看法，一種認為是假天儀式的渾象，另一種則認為是渾儀，持不同意見的雙方主要都是依據郭守敬的下屬楊桓所寫的《玲瓏儀銘》。現將該銘文中有關儀器形狀和性質的話錄於下：
“……製諸法象，各有攸施。萃於用者，玲瓏其儀。十萬餘目，經緯均布。與天同體，協規應矩。遍體虛明， 中外宣露。玄象森羅，莫計其數。宿離有次，去極有度。人由中窺， 目即而喻。先哲實繁，茲製猶未。逮我皇元，其作始備。……”(《天文類》卷十七)
如果用現代語言把這一段譯出來便是；
“……天文學家製成儀象，各有各的用途，而集多種用途於一身的隻有玲瓏儀，該儀表麵沿經緯線均勻分布有10萬多孔，按規律準確地與天球相符。整個儀體虛空透亮裏外可見。雖然星宿密布於天，不計其數，但它們都有入宿度和去極度，隻要利用該儀從裏麵窺看，即刻可以明白。古代賢者很多，但這種儀器尚未發明，直至元代，才首次做出來。……”
根據這一段描述可以清楚地感覺到，玲瓏儀就是具有渾象之外形又有渾儀之用途的新式儀器。按郭守敬的助手齊履謙所作《知太史院事郭公行狀》，他創製玲瓏儀的原因是“象雖形似，莫適所用，作玲瓏儀”(渾象雖然形狀如天球，但不適於運用，所以作玲瓏儀)。上文已提過郭守敬曾製作了一個從外麵觀看的渾象，如果玲瓏儀是一個從裏麵觀看的渾象(假天儀)，則本質沒有什麼不同，仍舊是“莫適所用”。至於說玲瓏儀是渾儀，是明代複製渾儀的原型，這一看法，更是站不住腳。郭守敬已經對環圈相套的渾儀做了重大改革，創製了簡儀，不可能再去做一個環圈相套的舊式渾儀，而且玲瓏儀銘的描述中有許多話是同環圈相套的渾儀不相容的。渾儀和渾象以及假天儀，在元代之前均有製作，不能認為“茲製猶未”，因此，說玲瓏儀是假天儀或渾儀對上述引文中最後四句均無法解釋，結論隻能是：玲瓏儀既不是假天儀，也不是渾儀，它就是玲瓏儀。
日本山田慶兒教授曾猜想玲瓏儀是以半透明材料製作天球的渾象，其前一半是可取的。在這種半透明材料上按經緯線鑽小孔，當人從裏麵看時，就感到整個天球布上了經緯網，天上的星都在這經緯網中有其位置，其坐標一看即明。白天可用來看太陽，晚上可用來觀星，得到它們的入宿度和去極度，這就類似渾儀的用途，故應安置於台頂。但當把三垣二十八宿及全天星象也標在球殼上以後，又可以表演天象變化，類似渾象的用途。所以稱它玲瓏儀，也是符合實情的。
元明以前的曆代渾象均未能保存下來，現在北京古觀象台和南京紫金山天文台的渾象是清代製造的。
西域儀象
西域一詞，在我國曆史上泛指玉門關以西的廣大地區，有時甚至包括中亞、北非、東歐這大片地方。十二三世紀，蒙古族強大，多次西征，勢力達到多瑙河流域，建立了龐大的蒙古大帝國。統治中亞一帶的伊兒汗國，其建立者為元世祖忽必烈的弟弟旭烈兀，他們之間經常有人員往來，促進了中亞阿拉伯文化與中原文化的交流。1267年，天文學家紮馬魯丁來到元大都，帶來了一批阿拉伯天文儀器，在《元史·天文誌》裏統稱為西域儀象。
按元史所載，“至元四年(1267)，紮馬魯丁造西域儀象”。根據下麵著錄的七件儀器來看，有些需就地建築，不可能從遠道帶來。
七件儀器的名稱均按阿拉伯文音譯，伴以漢文意譯。雖然《元史》中關於其結構介紹得很概要，並有一些脫誤，但它畢竟是有關傳入我國的中世紀阿拉伯天文儀器最完整詳備的資料，從中可以了解這些儀象的情況。
第一件，“咱禿哈刺吉，漢言混天儀也”。這是一架古希臘托勒玫式的黃道經緯儀，或可稱黃道渾儀。該儀有二個轉動軸，一是出地平36度的赤道軸，“可以旋轉，以象天運為日行之道”，這裏“日行之道”為太陽周日運行的軌跡，不是指黃道。另一個軸是距赤道軸24度的黃道軸，上麵鑄有黃道圈和黃經圈，“亦可以旋轉”，可測定天體的黃道坐標。
第二件，“咱禿朔八台，漢言測驗周天星曜之器也”。這也是古希臘式的，用以測天體天頂距。該儀用一根7．5尺的直立銅表，表頂有機軸可旋轉，從表頂附一根5．5尺的銅尺和一根等長的窺管，尺和管下端之間置一橫尺，三者組成一等腰三角形。但窺管與橫尺的聯接處是可以滑動的，使窺管仰角能改變。《元史》中“下本開圖之遠近”一句似有誤，“圖”字疑為“閉”之誤，“本”疑為“可”之誤，如這樣，這句話可理解為(窺管的)下部距銅表可以遠近開閉之，就是上麵的意思了。這種儀器在托勒玫的《天文學大成》裏已有介紹，按用途可稱為地平緯儀。
第三、四兩件是一組，“魯哈麻亦渺凹隻，漢言春秋分晷影堂”，“魯哈麻亦木思塔餘，漢言冬夏至晷影堂也。”這兩件儀器分別置於東西向和南北向的秘室裏，屋脊上沿東西向和南北向分別開一條縫，日光通過屋頂上的縫隙射到儀器上，以定春秋二分和冬夏二至。其工作原理同圭表測影相同。
第五、六兩件是一組，“苦來亦撒麻，漢言渾天圖也”。實際上這是一個天球儀，上標全天星象，有象征地平和赤道的環，有子午環、南北極。“苦來亦阿兒子，漢言地理誌也”。這實際上是一個地球儀，以木為之，圓球狀，七分為水，綠色，三分為陸地，白色，又畫江河湖海。上麵還有小方格狀的經緯網。這件儀器可算是地球和地理經緯度概念第一次在我國體現，可惜的是它沒有在元代天文學史上產生什麼重要影響。
第七件是一個阿拉伯星盤，“兀速都兒刺不，漢言定晝夜時刻之器也。”同地球儀一樣，它也僅僅是存在而已，未發生什麼影響，直至明末清初又由西方耶酥會士再次傳入，才有人寫書介紹它的原理和用途。
晷儀
晷儀，一般稱秦漢日晷。目前共發現三個，一藏中國曆史博物館，一藏加拿大安大略皇家博物館，另一個僅存一小角殘石。它們的形狀為一方形石板，中央有較深的圓孔，以圓孔為中心畫有一大圓圈，在圓周上刻有69個淺孔，淺孔都標上1～69的數碼，並有直線與中央圓孔相連。按69孔所占圓周2／3略多來估算，整個圓周是等分成100份的，每一淺孔占1／100。從所用字體來看，當為秦漢遺物。