古代天文观测仪器
我国古代在创制天文仪器方面，作出了杰出的贡献，创造性地设计和制造了许多种精巧的观察和测量仪器。我国最古老、最简单的天文仪器是土圭，也叫圭表。它是用来度量日影长短的，它最初是从什么时候开始有的，已无从考证。此外，西汉的落下闳改制了浑仪，这种我国古代测量天体位置的主要仪器，几乎历代都有改进。东汉的张衡创制了世界上第一架利用水利作为动力的浑象。元代的郭守敬先后创制和改进了10多种天文仪器，如简仪、高表、仰仪等。
一、  圭表
圭表是一种既简单又重要的测天仪器，它由垂直的表（一般高八尺）和水平的圭组成。圭表的主要功能是测定冬至日所在，进而确定回归年长度。此外，通过观测表影的变化也可确定方向和节气。
很早以前，人们发现房屋、树木等物在太阳光照射下会投出影子，这些影子的变化有一定的规律。于是便在平地上直立一根竿子或石柱来观察影子的变化，这根立竿或立柱就叫做“表”；用一把尺子测量表影的长度和方向，则可知道时辰。后来，发现正午时的表影总是投向正北方向，就把石板制成的尺子平铺在地面上，与立表垂直，尺子的一头连着表基，另一头则伸向正北方向，这把用石板制成的尺子叫“圭”。正午时表影投在石板上，古人就能直接读出表影的长度值。在现存的河南登封观星台上，40尺的高台和128尺长的量天尺，也是一个巨大的圭表。（如右图所示）
经过长期观测，古人不仅了解到一天中表影在正午最短，而且得出一年内夏至日的正午，烈日高照，表影最短；冬至日的正午，煦阳斜射，表影则最长。于是，古人就以正午时的表影长度来确定节气和一年的长度。譬如，连续两次测得表影的最长值，这两次最长值相隔的天数，就是一年的时间长度，难怪我国古人早就知道一年等于365天多的数值。
二、日晷
日晷又称“日规”，是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器，通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。其中铜制的指针叫做“晷针”，垂直穿过圆盘的中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”；石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面。这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻划出12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。晷面的刻度是不均匀的。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。早晨，影子投向盘面西端的卯时附近；接着，日影在逐渐变短的同时，向北（下）方移动；当太阳达正南最高位置（上中天）时，针影位于正北（下）方，指示着当地的午时正时刻；午后，太阳西移，日影东斜，依次指向未、申、酉各个时辰。
由于从春分到秋分期间，太阳总是在天赤道的北侧运行，因此，晷针的影子投向晷面上方；从秋分到春分期间，太阳在天赤道的南侧运行，因此，晷针的影子投向晷面的下方。所以在观察日晷时，首先要了解两个不同时期晷针的投影位置。
三、刻漏
漏刻是古代的一种计时工具，不仅在古代中国使用，而且古埃及、古巴比伦等文明古国也都使用过。漏是指计时用的漏壶，刻是指划分一天的时间单位，它通过漏壶的浮箭来计量一昼夜的时刻。最初，人们发现陶器中的水会从裂缝中一滴一滴地漏出来，于是专门制造出一种留有小孔的漏壶，把水注入漏壶内，水便从壶孔中流出来；另外再用一个容器收集漏下来的水，在这个容器内有一根刻有标记的箭杆，相当于现代钟表上显示时刻的钟面，用一个竹片或木块托着箭杆浮在水面上，容器盖的中心开一个小孔，箭杆从盖孔中穿出，这个容器叫做“箭壶”。随着箭壶内收集的水逐渐增多，木块托着箭杆也慢慢地往上浮，古人从盖孔处看箭杆上的标记，就能知道具体的时刻。
漏刻的计时方法可分为两类：泄水型和受水型。漏刻是一种独立的计时系统，只借助水的运动。但是后来古人发现漏壶内的水多时，流水较快，水少时流水就慢，显然会影响计量时间的精度。于是在漏壶上再加一只漏壶，水从下面漏壶流出去的同时，上面漏壶的水即源源不断地补充给下面的漏壶，使下面漏壶内的水均匀地流入箭壶，从而取得比较精确的时刻。
现存于北京故宫博物院的铜壶漏刻是公元1745年制造的，最上面漏壶的水从雕刻精致的龙口流出，依次流向下壶，箭壶盖上有个铜人仿佛报着箭杆，箭杆上刻有96格，每格为15分钟，人们根据铜人手握箭杆处的标志来报告时间。（如右图所示）
四、浑仪
浑仪是我国古代的一种天文观测仪器，是以浑天说为理论基础制造的古代天文测量天体的仪器，上古时称“璿玑玉衡”，简称“玑衡”。在古代，“浑”字含有圆球的意义。“浑天说”认为天是圆的，形状像蛋壳，出现在天上的星星是镶嵌在蛋壳上的弹丸；地球则是蛋黄，人们在这个蛋黄上测量日月星辰的位置。因此，把这种观测天体位置的仪器叫做“浑仪”。
　　浑仪的改进和完善，经历了一个由简而繁，而又由繁而简的历程。最初，浑仪的结构很简单，只有三个圆环和一根金属轴。最外面的那个圆环固定在正南北方向上，叫做“子午环”；中间固定着的圆环平行于地球赤道面，叫做“赤道环”；最里面的圆环可以绕金属轴旋转，叫做“赤经环”；赤经环与金属轴相交于两点，一点指向北天极，另一点指向南天极。在赤经环面上装着一根望筒，可以绕赤经环中心转动，用望筒对准某颗星星，然后，根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该星在天空中的位置。
后来，古人为了便于观测太阳、行星和月球等天体，在浑仪内又添置了几个圆环，也就是说环内再套环，使浑仪成为多种用途的天文观测仪器。从汉代到北宋，浑仪的环数不断增加。首先增加的是黄道环，用以观测太阳的位置。接着又增加了地平环和子午环，地平环固定在地平方向，子午环固定在天体的极轴方向。这样，浑仪便形成了二重结构。唐代起，浑仪又发展成三重结构。最外面的一层叫六合仪，由固定在一起的地平环、子午环和外赤道环组成，因东西、南北、上下６个方向叫六合，故名。第二重叫三辰仪，由黄道环、白道环和内赤道环组成，可以绕极轴旋转。其中白道环用以观测月亮的位置。最里层是四游仪。北宋时，又增加有二分环和二至环，即过二分（春分、秋分）点和二至（夏至、冬至）点的赤经环。（左图为多重环结构的浑仪）
多重环结构的浑仪虽是一杰出的创造，在天文学史上也起过重要的作用，但其自身也存在着两大缺陷。一是要把这么多的圆环组装得中心都相重合，十分困难，因而易产生中心差，造成观测的偏差。一是每个环都会遮蔽一定的天区，环数越多，遮蔽的天区也越大，这就妨碍观测，降低使用效率。
为解决这两个缺陷，从北宋起即开始探索浑仪的简化途径。这个浑仪改革的途径由北宋的沈括开辟，元代的郭守敬完成。沈括在两个方面进行改革，一是取消白道环，借助数学方法来推算月亮的位置；一是改变一些环的位置，使遮蔽的天区尽量减少。而郭守敬又取消了黄道环，并把原有的浑仪分为两个独立的仪器，即简仪和立运仪。（见右图所示）
简仪由四游仪、赤道环和百刻环组成，赤道环的位置移至旋转轴的南端，这种方式在各国的天文台上安装望远镜时，至今还被广泛采用。百刻环的安装是一创新，环上等分成100刻，分为12个时辰，每刻又分作36分。它固定在赤道环内，既可承托赤道环，又可得到读数。四游仪窥管两端各设有十字线，这是后世望远镜中十字丝的肇始。
立运仪与简仪装于同一底座上，由两个圆环组成。一个是平铺的“经纬环”，代表地平环，环面上刻有方位；一个是“立运双环”，中夹有窥管，可测量天体的地平经度和纬度。
简仪和立运仪的设计和制造，在世界上领先300多年。近代天文台的赤道装置，测量仪器经纬仪等，都可从中找到其原始形态。还应该指出的是，中国古代浑仪采用的是赤道坐标系统，比西方采用的黄道坐标系统要先进得多，今天已为各国天文台所广泛采用。现在，人们还可以在南京紫金山天文台，看到明代正统年间制造的浑仪和简仪。
五、天体仪
天体仪，古称“浑象”，是我国古代一种用于演示天象的仪器。我国古人很早就会制造这种仪器，它可以用来直观、形象地了解日、月、星辰的相互位置和运动规律，可以说天体仪是现代天球仪的直接祖先。北京古观象台上安置的天体仪，是我国现存最早的天体仪，制于清康熙年间，重3850公斤。
天体仪的主要组成部分是一个空心铜球，球面上刻有纵横交错的网格，用于量度天体的具体位置；球面上凸出的小圆点代表天上的亮星，它们严格地按照星星之间的相互位置来标刻。整个铜球可以绕一根金属轴转动，转动一周代表一个昼夜，球面与金属轴相交于两点：北天极和南天极。两个极点的指尖，固定在一个南北正立着的大圆环上，大圆环垂直地嵌入水平大圈的两个缺口内，下面四根雕有龙头的立柱支撑着水平大圈，托着整个天体仪。利用天体仪，无论是白天还是阴天的夜晚，人们都可以随时了解当时应该出现在天空的星空图案。
我国东汉天文学家张衡，曾经在天体仪上安装了一套传动装置，利用相当稳定的漏刻的水推动铜球，均匀地绕金属轴转动，每24小时转一圈，这一业绩已载入我国光辉成就的史料库中。后来，唐朝的一行和梁令瓒、宋代的苏颂和韩公廉等人，把天体仪和自动报时装置结合起来，发展成为世界上最早的天文钟。
六、水运仪象台
水运仪象台是宋代苏颂、韩公廉等人设计制造的一座大型天文仪器，它采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测天象的浑仪、演示天象的浑象和报时装置巧妙地结合在一起，组成一部自动化的天文台。
水运仪象台高约12米，宽约7米，呈下宽上窄的正方台形，全部为木建筑结构。全台分为三部分：上层是一个露天的平台，设有浑仪一座，用龙柱支持，下面有水槽以定水平。浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶，为了便于观测，屋顶可以随意开闭，构思比较巧妙。露台到仪象台的台基有七米多高；中层是一间没有窗户的“密室”，里面放置浑象，天球的一半隐没在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠机轮带动旋转，一昼夜转动一圈，真实地再现了星辰的起落等天象的变化；最为有趣的是下面的报时装置，在台的南面可以看到五层木阁，每一层木阁里都有报时的小木人，他们各司其职，根据不同的时刻，轮流出来报时。
水运仪象台是我国古代一项卓越的创造，它的一套动力装置可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先。
天文历法著作
中国古代在天文历法方面取得了很大的成就，留下了很多相关记载和著作。除了一些零散的记录出现在史书之外，比如《春秋》《史记》等，还有大量专门的著作问世，这些著作，不仅是古人智慧的结晶，也是天文历法领域的宝贵遗产。
一、《夏小正》
《夏小正》为中国现存最早的科学文献之一，也是中国现存最早的一部农事历书。《夏小正》本是《大戴礼记》中的第47篇，在唐宋时期散佚。现存的《夏小正》是宋朝傅嵩卿根据以前的资料汇集而成的，但因为没有说明原有经文与后来传文在各篇章中的关系，现在的《夏小正》已不全是原来的篇章。因原稿散佚等问题，《夏小正》成稿年代争论很大，但一般认为最迟成书在春秋时期，是孔子及其门生考察后所记载下的农事历书，所收录的大多是与夏朝物候相关的文化讯息。（左图为《夏小正经传集注》）
《夏小正》依据北斗星斗柄所指的方位来确定月份，并按照十二个月的顺序，分别记述每个月的星象、气象和物象，以及所应从事的农事和政事。书中除了二月、十一月与十二月之外，其他九个月都载有确定季节的星象，主要是拱极星象与黄道星象，包括昏中星（黄昏时南方天空所见的恒星）、旦中星（黎明时南方天空所见的恒星）、晨见夕伏的恒星、北斗的斗柄指向、河汉（银河）的位置以及太阳在星空中所处的位置等等。另外，《夏小正》中也有当月植物生长形态、动物活动习性与祭祀的相关记载。据说，“夏历”也是根据《夏小正》的相关内容来确定的，现在常说的农历也源于此。
由于长期流传的缘故，这一文献可能有残缺和其它的错误，也可能混杂有后人或其它的附会成分。但是《夏小正》作为我国现存的一部最古老的天文历法著作，按十二月的时序详细记载上古先民所观察体验到的天象、气象和物象，形象地反映出上古先民对时令气候的朴素认识，在一定程度上反映了夏代农业生产的发展水平，保存了我国最古老的比较珍贵的天文历法知识，对古代天象与先秦历法研究有相当重要的参考价值。
二、《甘石星经》
《甘石星经》是世界上最早的天文学著作。战国时期的楚人甘德著有《天文星占》八卷，同时代魏人石申夫著有《天文》八卷，后人把这两部著作合起来，称为《甘石星经》。
《甘石星经》详细地记载了金、木、水、火、土五大行星的运行情况，以及它们的出没规律；书中提及日食、月食是天体相互掩食的现象，并记录了木星第二卫星的情况。最值得一提的是，《甘石星经》记录了800个恒星的名字，测定了其中121颗恒星的方位，并为它们划分了星官。从某种程度上说，《甘石星经》制定了世界上最早的恒星表，比希腊的第一个恒星表还早约200年。（右图为书中绘制的星表）
可惜的是，《甘石星经》在宋代就失传了，只在唐代的《开元占经》中还保存一些片断，在南宋晁公武的《郡斋读书志》的书目中保存了它的梗概，真是天文学领域的一大损失。
三、《太初历》
西汉初年，一直沿用秦朝的历法，到汉武帝时才下令对历法进行改进。公元前104年，天文学家司马迁、落下闳、邓平等人制订了《太初历》，这也成为中国第一部有完整文字记载的历法。（左图为落下闳铜像）
《太初历》规定一年为365.2502日，一月等于29.53086日，以正月为岁首，以没有中气的月份为闰月，这就调整了太阳周天与阴历纪月不相合的矛盾，使月份与季节配合得更合理，是我国历法上一个划时代的进步。《太初历》还根据天象实测和多年来史官的记录，将行星的会合周期测得很准，如水星为115.87日，比今测值只小0.01日；同时算出135个月的日食周期，即一周期中太阳通过黄白交点23次，两次为一食年。除此之外，《太初历》还把二十四节气第一次收入历法，这对于农业生产起了重要的指导作用。
《太初历》的编制是中国历法史上的第一次大改革。它不仅是我国第一部比较完整的历法，也是当时世界上最先进的历法。自问世以后，一共行用了189年。只可惜，《太初历》原著已失传，留下的也只是后人补写的。
四、《大明历》
《大明历》，是由南北朝时期著名数学家、科学家祖冲之创制的一部历法，因成历于刘宋大明六年，所以也称“甲子元历”。（右图为祖冲之像）
《大明历》规定了回归年的长度为365.2428日，这在当时是最理想的一个数据；同时，提出了用圭表测量正午太阳影长以定冬至时刻的方法，这在当时也是最方便最准确的方法。
在《大明历》中，祖冲之首次引入了“岁差”的概念，将“回归年”和“恒星年”这两个概念区分开来，从而使得历法更加精确，是我国第二次较大的历法改革。所谓“岁差”就是由于地球在运行过程中受到其他天体的吸引作用，地球自转轴的方向发生了缓慢而微小的变化。因此从这一年的冬至到下一年的冬至，从地球上看到的太阳并没有回到原来的位置，而是岁岁后移，这也就引起了24节气位置的变动。祖冲之确定每45年11月差１°，这个岁差值虽然很不精确，但引进“岁差”编制历法，使得历法有了更科学的基础。
《大明历》采用391年置144闰的新闰周，比以往历法采用的19年置7闰的闰周更加精密。祖冲之还利用精确的数学计算，首次求出历法中“交点月”的日数为27.21223日，使得准确的日月食预报成为可能。祖冲之曾用大明历推算了从元嘉十三年到大明三年23年间发生的4次月食时间，结果与实际完全符合。
通过观察和计算，祖冲之得出木星每84年超辰一次的结论，即规定木星公转周期为11.858年，与现今测得的数据（11.862年）十分接近；同时，历法给出了更为精确的五星会合周期，其中水星和木星的会合周期也接近现代的数值。
祖冲之的卓越才华，使得《大明历》成为古代历法发展过程中的又一个里程碑。虽然开始遭到皇帝众臣的反对，但在他死后十年，即天监九年，《大明历》最终得以施行，使用长度达八十年之久。
五、《大衍历》
又称“开元大衍历”，是在唐开元17年起开始施行的历法，由唐代僧人一行撰写，因历法依据《易》象大衍之数而得名“大衍历”。
僧人一行利用十多年时间，实地测量各地纬度，并用日晷测定各地的见食分数和恒星移动情况，还用科学方法首次实测出地球子午线的长度。最后在大量观测资料的基础上，利用两年时间，编撰了《大衍历》。由于当时很少经过这样充分准备后再编造历法，所以《大衍历》被称为“唐历之冠”。
《大衍历》共分七篇，包括平朔望和平气、七十二候，日月每天的位置与运动、每天见到的星象和昼夜时刻、日食、月食和五大行星的位置。历法中首次提出“定气”的概念，并用它来编制太阳运动表；在计算中使用了不等间距的“二次差内插法”，这在数学史上也是一个创举，把李淳风关于蚀差的计算向前推进一步，提出全国不同地点相对于标准点阳城的计算蚀差的方法，称为“九服蚀差”；在五星计算方面，《大衍历》对五星运动不均匀性的改正计算上，使用了具有正弦函数性质的表格和含有三次差的近似内插公式，比同代人的方法更为科学。
经过检验，该历法比唐代已有的其他历法都更加精密；同时在历法的编排，结构严谨，条理分明，共有历术七篇、略例一篇、历议十篇。这表明了中国古代历法体系的成熟，为后世历家相沿袭用。
六、《授时历》
元朝统一中国以前，中国所用的历法是《大明历》。由于这部使用了七百多年的历法误差很大，所以元世祖忽必烈决定修改历法。郭守敬、许衡等人奉命在东西6000余里，南北长11000里的广阔地带，建立了27个测验所，进行实地观测。终于在至元十七年春天，完成了新历法。元世祖按照“敬授民时”的古语，取名为《授时历》，又叫《授时历经》，是我国历史上施行最久的历法，达364年。
《授时历》规定每月为29.530593日，以无中气月为闰月；它还规定一回归年为365.2425日，比地球绕太阳公转一周的实际时间，仅差26秒，和现代世界通用的公历完全相同；《授时历》正式废除了古代的上元积年，而截取近世任意一年为历元，打破了古代制历的习惯，是我国历法史上的第四次大改革；在编制过程中，他们所创立的“三差内插公式”和“球面三角公式”，也是具有世界意义的杰出成就。
《授时历》反映了当时我国天文历法的最新水平，同时还有不少革新创造。在中国古代历史发展进程中，《授时历》经受住了时间考验，产生了重大影响。同时，《授时历》一年的周期与现行公历基本相同，但问世却早于西方300多年，很多周边国家如朝鲜、越南等都曾采用过《授时历》。
七、《崇祯历书》
《崇祯历书》是明代崇祯年间为改革历法而编的一部丛书，它从多方面引进了欧洲的古典天文学知识。崇祯二年九月成立历局﹐开始编撰，到崇祯七年十一月全书完成。本套丛书主编是徐光启，他死后由李天经主持，参加翻译欧洲天文学知识的有瑞士人邓玉函、意大利人龙华民、日耳曼耶稣会士汤若望和葡萄牙人罗雅谷等人。
《崇祯历书》共有46种﹑137 卷，内容包括天文学基本理论、天文表、必需的数学知识(主要是平面及球面三角学和几何学)、天文仪器以及传统方法与西法的度量单位换算表五类。由于主编徐光启强调把历法计算建立在了解天文现象原理的基础上，因此理论部分共占全书三分之一篇幅。《崇祯历书》采用了第谷创立的天体系统和几何学的计算方法，有很多优点。首先它引入了清晰的地球概念和地理经纬度概念，以及球面天文学、视差、大气折射等重要天文概念和有关的改正计算方法；其次它还采用了一些西方通行的度量单位，如度﹑刻、时等，时以下采用60进位制等。
《崇祯历书》所达到的成就，在当时的世界上是最先进的。它不仅代表“西学东渐”的学术成果，还表明中国古代天文学向现代迈出了一大步。可贵的是，明朝科学家对西方的科技知识加以批判地吸收，政府也为科学研究提供良好的环境氛围。正是因为它结合了东西方的长处，所以才能汇聚优点于一身，被誉为“欧洲古典天文学百科全书”。