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在中国古代，天文观测和历法编制等天文活动都是由专门机构负责的，因为天文与历法在我国古代都是国家重器，是皇帝统治天下的重要工具，普通人是不能擅自观测天文的，擅自观天并制造大型观测仪器是谋反叛逆之罪。
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因此，古代的天文机构是属于中央政府的一个部门，历代名称也各有不同。在隋代以前叫做太史令，太史局或太史监。到唐代时该机构名称变化较多，先后有太史局，浑天监，浑仪监，太史监，司天台等。到了宋元时期，叫做司天监，司天台或天文院。到了明清两代叫做钦天监。
而作为天文机构的负责人，其官位的品级也各不相同，汉代太史令的俸禄为600石，唐代的太史监为正三品，是历代品级最高的，而明清钦天监为正五品。不过，无论品级高低，作为天意与皇权之间信息的传递者，这些人在一些关键时候的话语权甚至要大于朝廷中的一品大员。
至于天文机构的规模，历代也不尽相同。唐代武则天时期的浑天监规模最大，达到824人；元代的司天监有116人，回回司天监33人，太史院110人，共259人；明代钦天监41人，最少时仅23人；清代钦天监有154人。
而天文机构的人员进行观天的地方，古代一般叫做灵台或观象台，目前遗留下来的古观象台已经不多了。现存最早的是东汉的灵台遗址，建于东汉汉光武帝建武中元元年（56年），毁于西晋末年的战乱。灵台的遗址位于河南偃师洛阳故城南郊，占地44000平米，中心建筑是方形夯筑的高台，基座长宽约50米，现有高度8.45米。
现存最完整的古观象台就是北京古观象台了，建于明正统七年（1442年），历经明清两朝，目前还完整的保留着当年的样子，包括各种观象器具。
古代天文机构的主要工作有两大类，一类就是天文观测。这个观测的目的是为了帝王预测天下的祸福，而并非现代观测的科学目的。但是，这类观测依然积累了大量的数据记录，根据对中国古代记载的天象，大致可以分为以下几类：日月食和掩星等特殊天象；与行星有关的天象；彗星，新星，流星灯天象。
根据《中国古代天象记录总集》的整理，从甲骨文卜辞中的日食记录开始，古代有关日食的记录有1600多条，月食的记录有1100多条，月掩行星的记录有200多次，有关彗星的记录有1000多条，新星的记录100多次，流星记录4900多次，流星雨记录400余次，太阳黑子记录270余次。
中国古代对天象的记录，反应了古人相信天象透露了上天关于人间事物的意见，所以人们对天上的各种变化是非常重视的。
除日月食外，彗星是最易引起古人惊异的天象，在古代星占理论中，彗星的出现会被当作一种凶兆。所以古人对彗星的记录非常详细，在长沙马王堆出土的西汉帛书上，描绘了29种彗星的形态，每种都有不同的名称和占辞。我国古代对彗星的记录是世界上最早，最丰富的。
天文机构的另一类工作是编制历法，印制和颁布历书。
历法的编制需要用天文仪器对恒星及日月五星进行长期的测量，掌握一定的基本数据后才可以推演出来，最后编成历书。而历书的编纂只能是皇家天文机构来完成，元代杨垣在《太史院铭》中记载“凡推星历，诸生七十人，莅以三局；一曰推算，其官有五官正，有保章正，有副，有掌历，分集于朝室。二曰测验，其官有灵台郎，有监侯，有副。三曰漏刻，其官有挈壶正，有司辰郎，分集于夕室。
由此可见元代编写历书需要70余人来完成，而其他朝代也大体相似。当下一年的历书编写完成后，会择日献上朝廷，然后由礼部负责颁发。现存的明代《大统历》的封面上，就可见到一个木戳，其上文字为：钦天监奏准印造大统历日，颁行天下。伪造者依律处斩。有能告捕者，官给赏银五十两。如无本监历日印信，即同私历。
可见历书的印制和颁布是被皇家机构垄断的，历书的颁布也要举行隆重的仪式。据《明实录》记载，颁布的时间有冬季，冬至等旧历，后来改为十一月朔日。如果该日正好遇到日食或冬至，则前置或后延。颁布地点在正殿，参与人员自天子以下有诸亲王和文武群臣。作为宗主国，颁布历书的同时，也会向周边附庸国颁发历书，比如明朝时每年都会给朝鲜赐历100本。
为了精确的测量天体位置，必然需要一系列的天文仪器，中国古代的主要天文仪器有圭表，漏刻和仪象三大类。圭表是最简单，也最悠久的测量仪器，可以追溯到远古时代，其原理是利用日影的长度来确定时间。因为在一年之中，太阳的高度变化是有规律的，根据这个规律就可以测量出一年的时间长度和对应每个时节的日影长度。而日晷也是由圭表衍生出来的，利用日光测定时间的工具。
漏刻则是古代的计时仪器，也归到天文仪器之中，在没有太阳的夜晚，是无法利用日影来看时刻的，因此人们发明出了漏刻。漏刻是利用液体匀速流动的原理，让水从高处匀速流入低处的容器中，根据液面的高度来换算出时间。而且为了让水流的速度更精确，采用多级容器的装置，这样就使得时间更加均匀准确了。
而第三类仪象包括浑仪和浑象两种，浑仪最早出现在汉代，东汉张衡有《浑天仪注》，而在《隋书 天文志》中对浑天仪的结构进行了介绍，使得我们了解了古代的浑仪。浑仪其实是一种用来测量天体位置的装置，利用不同的几个轴向转动，可以使观测的人通过浑仪上的窥管看到待测天体。而当天体进入窥管后，便可通过浑仪上的刻度读出该天体的坐标位置了。
历史上，各朝代都制作过浑仪，也做过不同程度的改进，元代郭守敬将浑仪分成两个独立的仪器，安装在一个底座上，称作简仪，该仪器结构更加合理，铸造也更为简单，使用也更为容易，可以说是对浑仪的一次革命性改进。
浑象是一种演示仪器，可以模仿天空中天体在不同时刻的位置，类似于现代的天球仪，主体是一个圆球，上面标有星辰和黄道，赤道等圈线。下面有机械结构，利用水流的动力使其转动，最终让圆球上的星辰与天上的星辰运动同步，这样就可以时刻知道天上的星辰的位置了。
北宋苏颂领导建造的水运仪象台，是古代仪象的巅峰，将浑仪，浑象和报时机构结合在一起，利用水流作为动力，以机械装置作为传动。可惜在1127年金兵攻陷汴梁时遭到破坏，建造图纸等也大部分被烧毁，到南宋时曾想恢复，但最终没有成功。
在古代，天文仪器的研制和铸造师需要奏请天子批准的，就算是对损坏进行修复也不能擅自进行。天文仪器在古代是严禁私人拥有的，《唐律疏议》中就有明确记载“诸玄象器物，天文图书，谶书，兵书，七曜历，太一，雷公式，私家不得有，违者徒二年。私习天文者亦同。”
从这些禁令中可以知道，从天文仪器到天文书籍，在古代都是禁止私人拥有的，就算是自学天文也是违法的。因此，这也限制了古代时期，中国的天文学不可能在民间发展，也不可能出现以科学为目的的天文研究。古代的天文完全只是皇权统治的一种工具而已。
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