自內向外觀看的渾象蘇頌和韓公廉還製造過一架可在內部觀看的渾象。據宋代王應麟的《玉海》記載：渾象為中空球殼，直徑超出人的身長，球麵上以洞穿的小孔代表恒星，觀看人就坐在其中的懸吊椅上。隨著球殼自左向右旋轉，透過小孔的點點亮光，宛若夜間真實的星空，景象尤為逼真，與現代天文館裏的天象儀有異曲同工之妙。
自張衡以後，需要轉動的儀器，大都靠漏壺帶動，這一點比較好理解，因為在當時的條件下不可能找到比漏壺流水更穩定的動力。隻是很自然地產生了一個疑問：儀器的轉動是否僅僅依賴於漏壺。我們知道，漏壺的水量很小，所產生的壓力也是極有限的，很難想像它能帶動銅製的渾象，上述所介紹的蘇頌水運儀象台的儀器就更難帶動了。《隋書·耿詢傳》寫道“詢創意造渾天，不假人力，以水轉之，施於室中。”表明耿詢的渾天儀不借助人力而用水推動，這似乎意味著耿詢以前的水運渾象不隻靠水力，尚需人力。然而既有人力，又何需水力，何曰“水運”。古人關於這方麵的詳情鮮有記敘，我們無從知道真實情況。也許有興趣的讀者願意去尋找它的答案。
計時儀器
太陽每天早晨升起，傍晚落下，表影隨之由偏西移到偏東，表影所在的方位可以提示時間，這是不言而喻的。生產的進步，生活節奏的加快，人們要求知道比較準確的時間，於是表就演變成了日晷。日晷包括一根晷針和以晷針為圓心的石質晷麵，晷麵刻有放射狀方位線，根據針影與方位線的重合情況，就能知道時間。
在表過渡到日晷的最初階段，晷麵一般呈水平放置，叫做地平日晷。太陽的地平經度變化是不均勻的，這意味著地平日晷上的方位刻度，若等時就不等分，若等分就不等時。從使用角度看，既不方便，也不準確。赤道日晷有明顯優於地平日晷之處。由於日晷麵與天赤道平行，等時刻度線必定均分圓周。晷的兩麵都有刻度，向南一麵用於春分以後，向北一麵用於秋分以後。
漏刻是利用水量多少來計量時間的儀器。漏，指漏壺，刻，指刻箭。漏刻是全天候儀器，能彌補日晷的局限，是中國古代重要的計時器。
豐富的史料告訴我們有關漏刻發展的主要過程。漏刻最早隻是一把底部有小孔的壺，人們通過壺中剩水來粗估時間。後來，借助一支刻有刻度的箭，立於水中，以水麵淹過箭杆的高度計算時間。由於水的表麵張力，在箭杆周圍，形成一個向上的附著麵，給讀數帶來不便，所以不久以後淹箭漏就讓位於沉箭漏。沉箭漏的箭尾要有可浮的物體，如竹片或木片，使箭浮在水麵上，箭頭穿出壺蓋。當箭杆隨著水的流失而下降時，其與壺蓋平麵比齊的刻度，就是當時的時間。很明顯，沉箭和淹箭的刻度順序應該相反。
銅方日晷根據流體力學原理，水流速度與水麵高度有關，單純靠一把漏壺計時，勢必影響計時的穩定性。如果不斷添水，使漏壺水麵不降低，再用一個容器收集漏壺均勻流出的水，將可浮箭放於該容器中，觀察箭浮起的高度也可以知道時間，這就是浮箭漏。然而，人工添水總存在間隔，添水前後，水麵高度仍不免有變化。古人意識到這一點，解決的辦法也很絕：用另一把漏壺來補充水量，而且為了使這把壺能均勻補水，再加入第三把壺。於是東漢出現了二級漏壺，晉代出現了三級漏壺，唐代出現了四級漏壺。渴馬，就是虹吸管。用渴馬引水，適於任何容器。特製的漏壺不再是必需的，但有渴馬的計時器亦沿用“漏壺”之名。
保持漏壺的水麵高度不變，多級漏壺不是惟一的辦法。宋代的燕肅另辟蹊徑，設計了有分水口的漏壺，叫做蓮花漏。蓮花漏隻有兩級漏壺，下漏壺側麵有一個分水管，隻要上漏壺注入下漏壺的水量超過下漏壺排出的水量，高出分水口的水必然分流，就可以保持下漏壺的水麵穩定。
水運渾象既然受漏壺流水的操縱，當然也能夠反映時間，水運儀象台就包括報時係統。其實，報時係統完全可以獨立出來，不必與其他儀器聯動，郭守敬就設計製造過一個稱為大明殿燈漏的水力計時器。
在民間，最常用的計時工具是更香。均勻的更香，其長度和燃燒時間成正比。由於空氣流動，濕度變化，更香的精度不會太高，但已能滿足百姓的生活需要。
在軍隊中常用一種叫做輥彈的計時工具。其原理大致為：重量相同的銅球，從相同的高度，沿竹管滾下，所需時間相同，若幹個銅球交替滾下，以次數計時。輥彈體積不大，便於攜帶，又不受天氣影響，尤其適用於行軍打仗。
現在已知，從西漢開始，就實行一天12個時辰的製度。每個時辰都有名稱，即子、醜、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥十二地支。時辰的實質為時段而非時刻，比如，子時相當於現在的23：00到1：00之間的兩個小時，醜時相當於1：00到3：00，寅時相當於3：00到5：00，依此類推。南北朝以後，每個時辰又細分為初、正兩部分，比如，子初指23：00到0：00之間的一個小時，子正為0：0到1：00，便攜式赤道日晷就是按初正分為24個時段，與現今時刻製度不謀而合，“小時”之稱也由此而來。
恒星
據統計，在流傳至今的先秦著作中，散記著大約200多顆恒星。考慮到它們都不是天文專著，推測當時已命名的恒星應該不止這個數目。司馬遷的《史記·天官書》是最早記載星數的專著，包括恒星500多顆。東漢初年寫成《漢書·天文誌》，又增加了200多，達783顆。東漢天文學家張衡獲得的星數大大超過了以往所知，共計2500顆。可惜張衡的天文著作所剩無幾，他製造的渾象也沒有保存下來，所以後人隻知他觀測的星數，而不知具體的星名和位置。
春秋戰國以後，流行占星術，著名的占星家有石申、甘德和巫鹹等。這些占星家一般親自觀測，然而出於占星的目的，他們隻對一部分星感興趣，所以哪一家都沒有全麵地描述過星空。三國時吳國的陳卓，歸納了石申、甘德、巫鹹的工作，並同存異，統計出1464顆恒星。這個星數一直沿用到清代，隻是個別時候有一兩顆的出入。
三垣二十八宿
恒星的位置並不“恒定”，隻不過因為距離地球非常遙遠，它們的位置變化，幾百年甚至更長的時間都很難察覺出來。於是，古人在探索太陽、月亮和五大行星的運動規律時，順理成章地把“恒定”的星空背景作為坐標參照係。
北鬥與二十八宿蒼龍星座人們要建立這個參照係，必須明確恒星分布的特征。通常是把恒星劃分成若幹個星群，叫做星官，類似現在所說的星座。每個星官的星數不同，少則一顆，多則幾十顆，根據它們組成的形狀，被賦予相似物的名稱，比如，“杵”三星和“臼”四星，與實物極為相像。
有了名稱的星官易於記憶，但中國的星官的數目太多，陳卓總結的1464顆星就分屬於283個星官，仍然不便於辨認，這就需要更高一層次的劃分。《史記·天官書》曾把可見星空分成五大天區，叫五宮。中宮是指北極附近的星空，除中宮以外的天空，以春分那一天黃昏時的觀測為準，按東、西、南、北分為四宮，每宮又派生出七宿，共二十八宿，所有星官包括在中宮和二十八宿中，成為大單位下的小單位。雖然司馬遷以後，星官數、星數都有很大變化，但基本框架已經成形。下麵的表格是以陳卓星表統計的。
四象宮名宿名星官數星數蒼龍東宮角亢氐房心尾箕46186玄武北宮鬥牛女虛危室壁65408白虎西宮奎婁胃昴結觜參54297朱鳥南宮井鬼柳星張翼軫42245當太陽出現時，由於地球表麵大氣的散射作用，它的明亮遮掩住所有的恒星，使人無法判斷其位置。古人注意到，杵和臼月相實質上顯示了月亮和太陽的位置關係。比如，滿月時，太陽與月亮相對，太陽西麵落下的同時，月亮從東麵升起；上弦月時，太陽與月亮相差90°，太陽落下時，月亮應當在頭頂上方。觀測月亮在恒星中的位置，可以倒推太陽的位置，所以，中國古代很重視研究月亮的運行規律。
二十八宿是怎樣形成的?為什麼偏是二十八而不是其他的數目?古印度也有過用28份劃分黃赤道天區的曆史，稱為28個月站。而“宿”字與“月站”具有相同的含義，二十八宿的本義應該是月亮運行中的二十八個宿營地。事實上，月亮的恒星周期為27．32日，假設月亮每天走一宿，不能說不符合推測。然而，中國二十八宿的距度值是不等的，大的達33°，小的隻有1°，這種不等的規定顯然有違於月站的含義。不過，在先秦文獻中可以發現二十八宿等間距分法的痕跡。究竟是什麼導致了二十八宿不等間距的情況，始終是一個謎。
中宮後來又分成三個區，即紫微垣、太微垣和天市垣。垣，就是牆的意思。由於這三個天區都有像圍牆一樣的星官，所以這樣命名。
天區星官司數星數中
宮紫微垣37163太微垣2078天市垣1987將全天星空分配於三垣二十八宿，從《史記·天官書》就開始了，但三垣和二十八宿的劃分不是一次完成的，直到唐代的天文啟蒙讀物《丹元子步天歌》，才第一次較全麵地以三垣二十八宿概括全天可見星空。
星表與星圖
專門記錄恒星位置的書叫星表。中國已知最早的星表保存在《開元占經》裏。《開元占經》是唐代著作，而它收錄的這份星表是戰國時的石申及其門徒所測，共有121顆星。
敦煌卷子紫微垣星圖恒星位置的測量是中國古代天文學家的常規工作。作為衡量其他恒星的標準恒星，各個星官距星的人宿度和去極度，就成了每次測量的重點。作為天文觀測坐標的二十八宿的方位，曆代天文學家更重視對它進行精密測定。李淳風在唐代貞觀年間(627～649)的觀測，發現了二十八宿的距度值與前代不同，但出於某種顧慮，他仍然使用漢代太初曆的數據。100多年後，一行遇到同樣的問題，他沒有懷疑自己的測量結果，果斷地采用了新數據。宋皇年間(1049～1054)的觀測，記錄下345個星官距星的人宿度和去極度，是清初西方星表引人以前現存星數最多的星表。宋代姚舜輔為了編纂《紀元曆》，於崇寧年間(1102～1106)進行了一次觀測，這次觀測精度很高，測量誤差隻有0．15°，二十八宿距度被再次更新。元代郭守敬既精於儀器製造又精於天體測量，他的觀測精度較之姚舜輔又提高了一步：二十八宿距度的平均測量誤差小於0．1°。
陳卓之後，各代天文學家對1464顆星以外的其他星都不予重視，而郭守敬對這些無名星進行了係統的觀測，並編入了星表。很遺憾，他的星表長期失傳。直至近10年，才有人從北京圖書館善本書庫明抄本《天文彙鈔》中，查出書名為《三垣列舍人宿去極集》的書，未署作者名。經研究確認為郭守敬星表。與郭守敬同時代的趙友欽創造了恒星觀測的新方法，即利用上中天的時間差來求恒星的赤經差，與現代的子午觀測原理完全一致。
南北朝時，祖衝之的兒子祖暅發現北極星並不在北天極，而是離北天極有一度多的角距離。600年以後的沈括則測為三度多，沈括把這兩數的差異，歸咎於祖暅的觀測不夠準確。
東漢星圖其實，不管是二十八宿距度的變化，還是北極星的偏極，都是歲差造成的。雖然古代天文學家已發現這種現象，而且不厭其煩地修正、觀測、再修正，但是沒有人對此作出任何解釋，沒有人去探究發生這種變化的真正原因。
星圖，是恒星位置的形象記錄。中國古代星圖大致上有兩種，一種是示意性星圖，常常繪製在古代建築物或墓穴內壁上，如五代吳越國文穆王錢元瓘墓室的頂部和漢代武梁祠的石碑上都刻畫有星象。這種星圖隻起裝飾作用，所以比較粗糙、簡略，根本談不上準確性。星象也往往是不全的，有的隻是部分天區，甚至一兩個星官。另一種星圖則是為天文學家所用，為查找和計算恒星位置而繪製。所以這種星圖準確性高，記錄的星象比較完整。但從已知星圖看，第二種星圖遠遠少於第一種，而且唐代以前的幾乎沒有。
東漢蔡邕的《月令章句》記敘了漢代星圖的大致結構，根據這段文字可複原當時的天文星圖。該星圖是圓形的，以北天極為中心，向外三層紅色同心圓分別為內規、赤道和外規。內規相當於北緯55°的赤緯圈，表示內規以內的天區，總在地平線以上，全年都可看到。外規相當於南緯55°的赤緯圈，表示外規以外的天區，總在地平線以下，全年看不到。從內規外規的度數分析，此星圖曾用於中原地區。
天球是三維體。但中國古代還沒有掌握把它投影到二維平麵上的技術。在圖中，與北天極不等距的黃道應該是一個橢圓形，卻被畫成正圓形。在繪有赤道以南星象的圓形星圖中，這種變形更為明顯。大約在隋代，出現了一種用直角坐標投影的長條星圖，稱為橫圖。在橫圖上，雖然赤道附近的星象接近真實，天極周圍的星象又發生歪曲。解決這個問題的最好辦法就是分別繪製：用橫圖表現赤道附近的星象，用圓圖表現天極附近的星象，宋代蘇頌所繪的一套星圖正是采用這種手法的代表作。這套星圖出自蘇頌的《新儀象法要》，圖中所標二十八宿距度值，與他在元豐年間(1078～1085)的觀測記錄相同，說明此星圖是他根據實際觀測繪製的。
清代的星圖，把天區擴展到南極附近，其與陳卓星表相合的有277個星官1319顆星，另外新設23個星官130顆星。新增加的星中，絕大部分在中國看不到，是根據西方星表補充進來的。
天文導航
在茫茫大海上航行，周圍沒有任何帶特征的景物，怎樣判斷船體所在的位置?現代導航技術發明之前，隻能靠觀測星象。蘇頌橫圖
《淮南子·齊俗訓》說：“夫乘舟而惑者，不知東西，見鬥極則寤矣。”是說在大海之中航行分辨不清方向時，可憑北鬥星來辨明。這是中國最早的航海天文記載，它表明早在漢初時，天文導航的技術已普遍使用了。
宋代朱彧在《萍洲可談》裏寫道：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針。”然而觀察太陽和指南針，充其量隻能判斷行船方向，卻不可能知道地理經緯度。
明代鄭和下西洋，途經南海、馬六甲海峽，到達印度洋西岸，《鄭和航海圖》以圖的形式描述了鄭和航海的全過程。我們從圖中得知，不同的定位方法用於三個階段，第一個階段從蘇州到印度尼西亞蘇門答臘島的北端，由於船隊右傍海岸近海航行，所以僅用指南針就可定位。第二個階段從蘇門答臘往西到錫蘭(今斯裏蘭卡)，船隊一直西去，緯度變化不大，加上距離不算太遠，故以指南針為主，星象觀測為輔。第三個階段從錫蘭到非洲東海岸，橫穿印度洋，船向稍有偏離，就會遠離目的地，這時候隻能完全靠星象定位了。《鄭和航海圖》還有一組附圖，叫《過洋牽星圖》。圖中詳細標出了船隊穿越印度洋時，所見星的方位和地平高度。
在指南針沒有用於航海以前，靠日、月、星辰的出沒來判斷方位。至於地平高度，由於船體隨海浪顛簸起伏，不能使用必須水平放置的地平經緯儀，所以船員一般用手掌或手指比量。當然，這種方法是很粗糙的。
日月食
太陽和月亮是天上最重要的星體，人們白天依靠太陽、晚上依靠月亮所提供的光亮活動和生存。正因為這樣，人們才特別重視對太陽、月亮的觀測。人們早就注意到，太陽或月亮有時光亮會突然消失，人們不懂得消失的原因，如果一旦消失了不再複明，將給人類帶來多大的災難!這不能不引起人們的恐慌。正是由於這個原因，中國很早就注意對日食和月食的觀測，記錄它們被食的日期、時刻，被掩蓋麵積的大小，采取救護太陽和月亮的辦法，探索發生日食、月食的原因。有史可查的我國最早的日食記錄出現在一塊殷代的甲骨上，經過人們的考證，這次日食發生在公元前1217年5月26日，這是人類曆史上關於日食的最早的可靠記錄。關於月食的記錄比這個時間還要早，甲骨上就記載有公元前14至13世紀發生的五次月食。
中國古代的天文學家對於日月食的觀測十分勤奮，記錄也十分豐富，並且保持著記錄的長期連續性。例如，在《春秋》這部編年史中，就記載了由公元前770年到公元前476年294年中的37次日食，據考證，絕大多數記載都是可靠的。此後，自公元3世紀開始的日食記錄和自5世紀開始的月食記錄，都一直持續到近代。
黑子
對太陽研究的另一個方麵，是從事太陽本身變化的觀測。中國古代天文學家對太陽變化的觀測十分仔細，在公元前就觀測到太陽表麵發生的黑子、日珥、日冕等現象。其中尤以黑子的記錄最有價值。
據現代研究得知，日珥是從太陽色球層升騰而起的火焰，是一種氣體。古人看到了這種現象，將其命名為日珥，意為太陽的耳飾，即太陽圓麵邊上多餘出來的像人的耳飾的東西。中國最早的日珥記錄同樣出現在甲骨卜辭上，稱之為“三舀食日”。臽即為三個火臽之義。
太陽黑子即在太陽表麵出現的黑色斑點，它是太陽表麵上出現的一種風暴。由於風暴的溫度比它附近的日麵低，故光芒就顯得暗一些。現今世界公認的關於太陽黑子最早記錄是中國西漢成帝河平元年(前28)，《後漢書·五行誌》說：“成帝河平元年三月乙未，日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央。”關於黑子一名，最早出現在西晉初年(268)的一條記載中。
古人對黑子記載得較為詳細，有出現日期、部位和形狀。由於黑子是太陽上的風暴形成的，所以出現的時間一般都比較短。肉眼所見黑子，大多是較大的黑子，據古代記載，常有達數日甚至10日才消失的現象。古人對黑子的形狀觀測得特別精細，將它描寫成為如桃、如李、如錢、如瓜、如卵、如棗、如人、如飛燕等。黑子還常常成群出現。據現代研究，太陽自身也在不停地自西向東旋轉，天文學家把首先出現在太陽圓麵西部的黑子稱為前導黑子，在太陽東麵的稱為後隨黑子。前導黑子常呈圓形，比較暗。而後隨黑子較大且顏色較淡，不一定呈圓形。現代天文學家常把黑子分為圓形、橢圓形和不規則形三類。古人比喻為桃、李、錢之類的為圓形，比喻為瓜、卵、棗之類的為橢圓形，比喻為人、鳥之類的為不規則形。黑子又往往南北成對出現，稱為雙極黑子，橢圓形的可能是雙極黑子。不規則黑子往往是黑子群。
據統計研究，太陽黑子的出現周期平均為11．33年，這正與古代的記錄資料相一致。我國古代太陽黑子的記錄是一份十分珍貴的天文學遺產，對於研究太陽物理以及日地關係、氣候變遷和天氣預報，都有著重要的參考價值。
流星雨和隕石
夜晚仰望天空，常常會看到一道白光一劃而過，這就是流星。零星的流星經常有，不足為怪。但是，有時偶爾會看到流星像雨點一樣多，並且均從天空某一個共同點輻射出來，這就是流星雨。據現代研究發現，流星或流星雨均是運行在太陽係空間的物質小塊，當它們闖進地球大氣層時，因與大氣摩擦燃燒而發光。如果沒有燒盡而落到地麵，便成為隕石。如果有許多塊同時落到地麵，便成為流星雨。
並不是任何一天都能遇上流星雨，隻有當地球穿過流星雨帶時，才會有流星雨產生。形成流星雨的細小物質，大多由彗星和行星瓦解後散落在太陽係空間而形成。當流星雨發生時，從地麵看去，好像都是從天空中一個共同點發出來的，這個共同點稱之為輻射點。天琴座流星群，獅子座流星群，都是著名的流星群。
中國關於流星雨的記載也很多，例如，《竹書紀年》記載：“帝禹夏後氏八年雨金於夏邑”，就是公元前2133年降落在河南省的一場流星雨，這也是世界上最早的關於流星雨的記錄，以後記錄不斷，古人常用“星隕如雨”、“流星如織”來描寫。
隕星降落到地麵的現象也是經常發生的，隕星降落到地麵，便成為天外來客。隕石有兩種，一種是鐵質，一種是石質，明末科學家宋應星說過：“星墜為石。”宋代科學家沈括在公元1064年一個晚上曾考察三次隕石爆炸，並在《夢溪筆談》中詳細記載墜落在宜興許氏園中的隕石：“遠近皆見火光赫然照天，許氏蕃籬皆為所焚。是時火息，視地中，隻有一竅如杯大，極深。下視之，星在其中，熒熒然，良久漸暗，尚熱不可近。又久之，發其竅深三尺餘，乃得一石，猶熱，其大如拳，一頭微銳，色如鐵，重亦如之。”
彗星
《春秋經》上記載：“魯文公十四年(前613)秋七月，有星孛於北鬥。”星孛，就是彗星，這是世界上關於哈雷彗星的最早記錄。哈雷彗星平均每76年多回歸一次。從秦始皇七年(前240)到清代宣統二年(1910)，間隔2149年，哈雷彗星回歸29次，每一次中國都有詳細的記錄。近代西方天文學家欣德曾利用這些連續的觀測數據來推算哈雷彗星的軌道，發現軌道麵傾角在逐漸變小，漢代為170°，到19世紀中葉已減至162°了。這項發現引起了天文學界的重視。美國加利福尼亞大學的布朗迪博士於1972年發表過一篇論文，論證太陽係存在著第10顆行星，證據是哈雷彗星的軌道變化是這顆行星長期攝動的結果。布朗迪還預言了行星的位置，但英國的格林威治天文台和美國的裏克天文台都沒有在預言位置上發現它。
《春秋》中關於哈雷彗星的記載彗星是太陽係裏的成員，其軌道有三種類型：橢圓、拋物線和雙曲線。具有後兩種軌道類型的彗星在繞太陽轉一個彎後就一去不複返了。隻有在橢圓軌道上運動的彗星才會回歸，稱為周期彗星，哈雷彗星就是周期彗星。由於彗星的橢圓形軌道偏心率較大，有的接近於1，因此隻有當彗星行至近日點附近時，才有可能用肉眼看到。彗星的結構也很特殊，彗頭的中央部分密集而明亮，叫彗核。周圍是彗核蒸發出來的霧狀物，叫彗發。在太陽風和太陽光壓的作用下，彗發向相反方向延伸，形成一條或幾條光帶，叫彗尾。離太陽越近，壓力越大，彗尾就越長。於是，彗星在接近和離開近日點的過程中，會呈現出各種各樣的形態。再加上每顆彗星的彗核大小、彗發多寡都不一樣，所以僅用一兩幅示意圖，無法描述所有的形態。