元朝灭掉南宋以后，更加重视农业生产的恢复。农业生产要利用历法。过去，蒙古一直使用金朝颁布的历法，这种历法很不好，误差大，甚至连农业上的节气也算不准，这太影响农业生产了。征服宋朝之后以后，忽必烈发现，宋朝用的又是另一种历法，南北历法不一样，更容易造成紊乱。忽必烈决定制订一个统一的新历法。于是，他下令成立了的机构，名叫太史局（后来叫太史院），专门负责编订历法。负责太史局的是郭守敬的同学王恂。郭守敬因为精通天文、历法，王恂请求朝廷把郭守敬从水利部门调到太史局，和自己一起主办改历工作。
谁想到，郭守敬不仅仅懂水利，搞历法也又一套。工作一开始，他就提出，研究历法一定要重视观测，而观测必须依靠仪表。可是从开封运来的那架北宋遗留下来的观察天象的大型浑天仪，已经陈旧不堪，得到的数据不可靠。于是，郭守敬开始设计一套新的仪器。他觉得原来的浑天仪结构复杂，使用不方便，就根据前人的经验和自己的研究创制了一种结构比较简单、刻度精密的简仪。郭守敬制作的仪器，精巧和准确程度都比旧的仪器高得多。精确的仪器做好了，就要开始进行精确的实地观测了。
公元1279年，郭守敬请求忽必烈允许在太史院里建造一座新的司天台，同时在全国范围进行大规模的天文测量的打算。这个大胆的计划很快得到忽必烈的批准。经过王恂、郭守敬等一起研究，他们在全国各地设立了二十七个测点。最北的测点在铁勒（在今西伯利亚的叶尼塞河流域），最南的测点在南海（在今西沙群岛上），另外，他们选派了十四个监候官员分别到各地进行观测。为了准确，郭守敬还亲自到几个重要的观测点去观测。最后，各地的观测点把得到的数据全部汇总到太史局。郭守敬和王恂根据汇集来的大量数据，花了整整两年的时间，编出了一部新的历法，叫《授时历》。
《授时历》，比以往的旧历法精确得多。它算出一年有3652*天，同现在测定的地球绕太阳一周的时间，只相差26秒。这部历法同现在通行的公历一年的周期相同。但是郭守敬的《授时历》比欧洲人确立公历的时间要早三百零二年。
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