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中国是世界上最早开展研究天文学的国家之一。出于生产生活的需要，远古时期华夏大地上的先民就已开始了对天文现象的观察，经过世代的传承与发展，逐渐形成了内容丰富、风格独特的天文学体系，曾长期在世界上处于领先的地位。中国古代天文学经历了产生、发展、完善、衰落，最终融入近现代天文学的漫长发展进程。
西周以前，是中国古代天文学知识开始出现萌芽并初步积累的历史时期。出于生产生活的需要，人们从对星辰隐现、日月运动的观测中，逐渐形成了与这些需要密切相关的年、月、日等时间长度的概念，进而产生了初始的历法系统。根据殷墟等地出土的甲骨文的有关卜辞，可知商代的历法是阴阳历。
年有平年闰年之分，平年12个月，闰年13个月，闰月置于年终，称十三月，这就是年终置闰法。这时的岁首已基本固定，季节和月名已基本固定。但在甲骨卜辞中还偶有十四月甚至十五月的记载，说明这时人们还不能较好地把握年月之间的长度关系，对于闰月设置的多少还没有规定，当发现季节与月分名相悖时，便加进一个闰月加以调节，具有随意性，这种状况一直延续到西周。
殷商已明确使用干支纪日法，建立起了逐日无间断的日期记录，从而奠定了较准确地探求月、年等更长时间单位的基础，同时也为历史年代学提供了重要的依据。干支纪日法顺序循环，几乎没有中断地沿用至今，成为世界上最长的纪日方法。
春秋战国是我国从奴隶社会转向封建社会的大变革时期。这时生产力得到极大的发展，促使了科学技术的长足进步。也造就了天文历法技术的巨大进步。主要表现在对天文现象的观测与描述由定性向定量的转变、阴阳历的定型、关于宇宙的理论的涌现等等，这些都为我国古代天文历法体系的形成奠定了基础。各诸侯国出于发展农业生产以及政治上的需要，都极其重视天文历法的研究，涌现了一批著名的天文学家，如梓慎、卜偃、甘德、尹皋、石申等。曾侯乙墓出土的一只漆箱盖上面绘有二十八宿的全部名称，这是迄今发现的最早的二十八宿恒星系统的完整记载。约于公元前六世纪，人们已对二十八宿各标准星之间的赤道度距进行过测量，其数值保存在唐《开元占经》一书中。
将恒星按一定的方法进行区划和命名，在战国取得了重大进展，其中尤以石申和甘德的贡献最大，他们对恒星的区划都自成体系。人们对五大行星运动的观测也有了重大进展：一是对五星运动周期的测量，人们已经把行星的恒星周期和会合周期区别开来；二是对五星动态的定量描述，石申和甘德已发现火星和金星的逆行现象。
二十四节气是我国先民的伟大创造。起初它只有二至和二分，到战国时逐渐形成了完备的二十四节气体系。二十四节气分别标志着太阳在一周年运动中的24个相对固定的位置，是对太阳周年运动的一种特殊的描述，能较好地反映一年中寒暑、雨旱、日照长短等变化的规律，所以它不但有重要的天文学意义，而且对于农业生产有重大的指导作用，是我国传统历法的重要内容之一。
春秋时期，人们对异常天象的观测与记录逐渐增多，如对彗星、流星雨、陨石等的首次记录均在此时期出现。
春秋战国时期，各诸侯国分别使用黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁六种历法，合称古六历，它们都是四分历。东汉时期的四分历，通称古四分历，该历的朔望月长度可由回归年长度和闰周推得十九年七闰。古四分历的出现，标志着阴阳历完成了从不稳定的、带有随意性的形态向明确的、规整的形态的过渡。
秦汉魏晋时期，我国古代天文历法体系逐渐走向成熟，在先秦天文历法系统的基础上，在历法、仪器制造、宇宙理论及星图编制等方面都取得了长足进步。秦代所用的颛顼历，到西汉初年仍沿用不改。由于颛顼历行使已久，据该历法推算的朔望日期与实际产生较大偏差，所以改革历法势在必行。汉武帝元封七年（前104年）诏令改定新历。从18家历法中选出邓平等人的八十一分律历为新定历法，即为太初历。太初历经西汉末年刘歆改造，成三统历（公元前7年），是我国现存第一部完整的历法，对后世历法影响深远。
天文历法仪器制造方面，这一时期当属张衡的成就最大，他发明了新型计时仪器——补偿式漏壶，还发明了我国第一台自动天文仪器——水运浑象。
盖天说、浑天说和宣夜说，是我国古代关于宇宙结构学说的三个主要流派，合称论天三家，它们都在汉代形成了成熟的学说。
南北朝隋唐五代时期，是我国天文历法体系进一步完善的时期，一系列天文数据趋于精确，一批新的天文现象被发现，历法中的数学计算方法向严密化和公式化方向进步。祖冲之于公元463年创制大明历，是我国古代最著名的历法之一。把岁差现象首次引入历法，是祖冲之的一大贡献。由于我国古代历法在计算日月五星的位置时，是以冬至太阳所在恒星间的位置作为基准点的，所以岁差概念和数值的引进，就使得这一基准点的位置得到较好的校正，从而使日月五星位置推算的准确度得到根本的保证。大明历取回归年长度为365.2428日，误差仅46秒。在大明历中，祖冲之还第一次明确地指出了交点月（月亮相继两次通过同一个黄白交点的时间间隔）的长度值为27.2122日，误差仅1秒左右，这些数据均已达到了相当高的精度水平。
唐代名僧一行编制了大衍历。大衍历首创了九服晷漏、九服食差等计算法。前代各历法在计算晷漏、食差时，都仅局限于京畿地区，其结果并不适应全国其他地区的实际情况，所以新算法的提出，就把原先仅适用于京师的历法，推广成为真正的全国性历法。
为编制大衍历的需要，一行和梁令瓒等人共同制作了用于天体位置测量的新仪器——黄道游仪，还共同制作了用于演示天象和报时的水运浑天仪，这是对张衡水运浑象的发展。
一行还主持了子午线长度的实测工作，在北起铁勒（今俄罗斯贝加尔湖附近，约北纬51°）、南至林邑（今越南中部，约北纬18°）的13个地点，测量地理纬度、冬夏至和春秋分日影长度，以及冬夏至昼夜漏刻长度等数据，以解决九服晷漏等历法问题，得出南北相距“大率三百五十一里八十步，而极差一度”，即子午线每1°长约131.11公里。虽然这一数值比现在的测量结果长约20公里，但它毕竟是世界上第一次对子午线长度的实测工作，具有划时代的意义。
唐代中晚期天文学家徐昂在其宣明历中对日食计算做出的重要改进，也是这时天文历法的重大进步。徐昂首创的时差、气差和刻差，被合称为日食三差法，成为后世历法遵循的经典方法。
我国古代天文历法体系到隋唐时期已经达到了完善。宋元时期的发展，主要体现在天文观测仪器、观测方法、观测成果在精度上的提高，在规模上的扩展，以及若干计算方法的进一步改良、某些宇宙理论的深化等方面，这些都把我国古代天文历法体系的发展推向巅峰。
由于对天文观测的重视和对天文观测精度要求的提高，这一时期的天文仪器不论在数量、质量以及创新等方面都达到了前所未有的高度。宋代制造的浑仪特别多，北宋先后铸成了五架巨型浑仪，每架用铜均达2万斤左右。人们对浑仪的结构进行了进一步优化，使得测量精度进一步提高。沈括关于浑仪的改革设计思想，到元代经郭守敬的努力，出现了简仪。
这一时期，人们对天文数据的测算达到了前所未有的准确度。例如对冬至时刻的测算，自周琮明天历（1064年）以后，各历法的误差平均为10刻（1刻等于14.4分钟）左右，杨忠辅统天历（1199年）以后各历法，误差降至2刻，到郭守敬授时历已小于0.5刻。关于回归年长度的测算，统天历和授时历均取365.2425日，其误差仅约22秒，是为当时世界上的最佳数值。这一时期，对于历法有关数据表格及其计算公式化的工作，在广度和深度上均大有进步。
北宋时曾进行过七次恒星位置观测工作，其中有三次是对周天恒星进行测量的大规模活动，精度比前代均大有提高。1049—1053年周琮等人的观测结果收载于马端临《文献通考》和王安礼等人修订的《灵台秘苑》等古籍中，包括有360颗恒星的入宿度和去极度值，这就是著名的“皇祐星表”。 1102—1106年姚舜辅等人的观测结果中二十八宿距度测量的绝对值平均误差只有0.15°，达到了相当高的精度。郭守敬也曾进行过大规模的恒星位置观测工作，就二十八宿距度测量误差而言，比姚舜辅的误差还小一半，郭守敬星表都是当时世界上最优秀的星表之一。
郭守敬还主持了一次全国的大规模天文测量工作，全国各地共有27个观测点，测量规模和精确度均远远超过前人。郭守敬等人根据这些高精度测量编制了授时历，自元至明使用了360余年，它作为我国古代传统历法的巅峰同时也是终结而载入史册。
明清时期，我国古代天文历法体系渐趋衰落，近代西方天文学开始传入中国，并与中国传统天文历法逐渐交流、融合。明初统治者对民间天文历法的研究采取了极其严厉的管制。自明初到万历年间的约二百年中，除了对异常天象的观测仍在继续，个别实用天文学（如航海天文学）有所进展外，天文历法的研究完全陷于停顿状态。
明万历年间，禁令开始松弛，朱载堉、邢云路等人起而对授时历进行较深入的研究。朱载堉先后制出圣寿万年历和黄钟历，在回归年长度古大今小等问题上较授时历有所修正。邢云路著有《古今律历考》，对从古四分历至授时历的历法作了全面的评述。邢云路还进行了万历三十六年（1608年）冬至时刻的实测工作，进而算得回归年长度值为365.24219日的新值，与理论值之差仅约2秒，是为我国古代、也是当时世界上的最佳值，这是传统历法经过近两百年的停滞发展后，又迸发出的灿烂火花。
明末清初，正当人们渐渐从二百多年的沉寂中醒来，开始发掘传统历法并有所发现的时候，西方近代天文学知识随着传教士的东来开始传入中国，从此开始了两种不同体系的天文历法相互交锋、又彼此融合的复杂过程。