我們的祖先不僅在曆法方麵卓有建樹，而且對於宇宙結構、天地關係的想象也是十分豐富的。
古代宇宙觀主要形成於周代至晉代這個曆史時期。公元180年前後東漢的蔡邕在上皇帝書中說：“言天體者有三家：一曰周髀，二曰宣夜，三曰渾天。宣夜之學，絕無師法。周髀術數具存。驗天然多所違失，故史官不用。唯渾天者，近得其情。”就是說：論天的學者有三派。第一為周髀派；第二為宣夜派；第三為渾天派。宣夜說沒有得到廣泛的發展。至於周髀說，雖然它的方法與計算仍然保留下來，然而在解釋天體的結構時，已證明它在許多方麵有錯誤和論據不足之處，因此，不被官方的天文學家所采用。隻有渾天說比較⑽實際。
蓋天說
蓋天說是3種學說中最古老的一種，它產生的年代最早可追溯到奴隸製社會的周代。
第一次蓋天說（即天圓地方說）：成書於漢代的《周髀弇經》記載了這種學說，它認為：“天”是一個罩子，罩在每邊為81萬裏的正方形大地上，天頂的高度是8萬裏。大地是靜止不動的，而日、月、星辰則在天穹上隨天運轉。天穹有一個“極”，所有的星辰都繞極旋轉。在我國黃河流域一帶，天極的地平高度為掀，因此，古人以為半球形1的天穹以36°的斜度蓋在地上。所謂“天如欹車蓋，南高北下”就是這個意思。然而，人類的認識總是要隨著社會實踐的發展而發展的。“天圓地方說”有其不可克服的內在矛盾。曾參（公元前505以後）已察覺到了這種矛盾，他說：“天圓而地方，則是四角之不埌也。”就是說：“半球形的天穹和方形的大地怎麼能吻合呢?”暴露出來的這種矛盾迫使天圓地方說改為：“天並不與地相接，而是像一把大傘高高枝地懸在大地的上空，用繩子縛住它，周圍還有8根柱子支撐著。天地的樣子就像一座頂部為圓拱的涼亭。”對於這樣一種宇宙圖式，詩人屈原（約公元前340~前278年）是采取懷—度的。他問道：“這天蓋的傘把子，到底插在什麼地方？繩子究竟拴在什麼地方拖住這個帳蓬？……”（見《天問》）。
如此看來，這種修改了的天圓地方說，仍然存在互相矛盾之處。在以大地為平麵的假設的前提下，將會出現很大的誤差。人們在實踐中發現：向北行，天球北極將會越來越高；向南行，則會越來越低。走幾百裏地分別在不同的地點測天球北極的地平高度，很容易看出天圓地方說的錯誤。對大地為平麵的假設的否定勢在必行，於是便產生了第二次蓋天說。
第二次蓋天說：第二次蓋天說與第一次蓋天說相比，其主要優點是，它不僅認為天是拱形的，而且認為大地也0形的。對大地由平麵到拱形的認識，現在看來似乎是無所謂，但對於科學技術十分落後的古人來說，這卻是向前邁出了可喜的一步。
史書《周褲算經》中描述天的形狀為：“天象蓋笠，地法複槃。”“天地各中高外下，北極之下，為天地之中，其地最高，而滂沱四聵，三光隱映，以為晝夜。”即天像一頂頭戴的鬥笠，大地像一個倒扣的盤子，北極是天的最高點，四麵傾斜而下，天穹上的日月星辰交替出沒，在大地上形成晝夜。
天地關係在數量上的穌為：“極下者其地高，人所居六萬裏，滂沱四聵而下，天之中央，亦高四旁六萬裏。”離地八萬裏，冬至之日雖在外衡，常出極下地上二萬裏。”所謂“外衡”，就是在冬至這一天，太陽所運行的軌道。就是說，天上的北極比冬至日道高六萬裏。因為天恒高於地八萬裏，所以冬至日道還高出極下地麵二萬裏0
為了說明太陽運行的軌道，古人還設計了所謂七衡六間的平麵圖。由這個圖可以知道太陽每年的運行情況、季節變化的情況以及不同節氣日出、日入的方向。
每年冬至，太陽沿最外一圈（即外衡）運行，外衡的周長為142.8萬裏，因此太陽出於東南沒於西南。日中時，地平高度最低。每年夏至，太陽沿最內圈（即內衡）運行，內衡的周長為71.4萬裏，因此太陽出於東北沒於西北。日中時，地平高度最高。春、秋分時，太陽沿當中的一個圓(即中衡）運行，太陽出於正東沒於正西。日中時，地平高度適中。各不同的節令太陽都沿不同的“衡”運動。
《周脾算經》中還指出：“日照四旁各十六萬七千裏，人所望見遠近宜如日光所照。”就是說，太陽隻能照亮直徑為十六萬七千裏的地區，這一地區以外，人們處於黑夜；這一地區以內則處於白晝。由此看來，這實際上是把太陽看作拱極星，像探照燈一樣照亮地麵上的某一部分。
周髀家艦王充的平天論：《晉書.天文誌》中除了記載周髀書中的蓋天說外，還記載了另一種蓋天說一周髀家說。有人認為周髀家說比較粗糙，是原始的蓋天說，而錢寶綜先生卻認為與《周髀算經》中的蓋天說毫無共同之處。
周髀家說對天地形狀、天地關係、天地運動理論、晝夜變化及四季循環的解釋是這樣的：
（1）天圓如張蓋，地方如棋局。
（2）天形南高而北下。日出高，故見；日人下，故不見。天之居如倚蓋，故極在人北，是其證也。極在天之中而今在人北，所以知天之形如倚蓋也。
（3）天旁轉如推磨而左行，日月右行，隨天左轉猶如“蟻行磨石之上，磨左旋而蟻右去，磨疾而蟻遲，故不得不賄以左右”。
（4）日朝出陽中，暮人陰中，陰氣暗冥，故沒不見也。
（5）夏季陽氣多，陰氣少，陽氣光明與日同輝，故日出即見。而冬季則相反。
其中第（1）條大概是最原始的天圓地方說。第（4）條、第（5）條，則充滿了陰陽家的氣息，以陰陽來解釋太陽的出沒，日出則陽氣多而有光，日入則陰氣多而暗冥，這是不科學的。後漢的哲學家王充駁斥了這種觀點，提出了他的蓋天說——天論。
王充認為:天平平，地也平平，都是廣闊無垠的，我們仰觀穹窿的天，像盆一樣，這並不是由於天的中央高而四旁低的緣故，而是由於人們的眼睛產生了錯覺。例如：我們看10裏以外的天，好像天地是連合起來的，實際上天地並不相合。他還認為:太陽東西運行時，離我們近；南北運行時，離我們遠。遠則看不見太陽的形狀，也看不見太陽的光。比如，人在夜間拿著火炬走路，不到一裏，人和火炬就看不見了，這並不是火炬已經熄滅了，而是人走遠了的緣故。王充的解釋有他合理的地方，也有錯誤的部分。比如認為天地並不相合的觀點無疑是正確的。而人們看到與看不到太陽，同夜間舉火炬走路相提並論又顯然是錯誤的。