我国古代先民为了能够更方便，更精准的观测天象，发明了一些用于观测天象的仪器，称作仪象。实际上，仪和象分别有其含义，其中仪指的是测量天体位置的仪器，而象指的是演示天体运动的仪器。

在介绍仪器之前，我们先介绍一下天文观测的坐标，这样对后面介绍和理解观测仪器比较有帮助。

我们在地球上观测天空，一般来说是把地球作为观测中心，以一个无限半径的假想球体作为天球，我们看到的日月星辰的影像都投影到天球上，成为我们看到的星星。将地球的自转轴延长，在天球上得到两个交点，北方的是北天极，南方的是南天极。将地球赤道投影到天球上，就叫做天赤道。

一个天体和天赤道之间的角距叫做赤纬，和天极的角距叫做去极度；而天赤道上以春分点作为原点，与春分点的角距叫做赤经。我国古代一般将某颗星与它所在的星宿中的距星在天赤道上的距离，叫做入宿度。我们就是用去极度和入宿度来表示天体在天球上的位置，这种方法类似现在的赤道坐标系。注意，这两个概念在后面的仪器上会用到的。

赤道坐标系

太阳在一年时间中会在天球上走过一个圆，这个圆叫做黄道，以黄道为基础，以黄经，黄纬组成的坐标叫做黄道坐标系，一般用来测量太阳和月亮的位置。

黄道坐标系和赤道坐标系

而不管赤道和黄道，就以地平线和天顶作为基准而建立的坐标就叫做地平坐标，这种坐标相对比较好理解和接受，用地平坐标表示天体的高度和方位，是最为直观的。我国古代的地平坐标最初只有地平经度，曾广泛用于测量太阳出没的方位角上。

地平坐标系

在汉代，常用十二地支来表示方位，如子代表正北方，而午代表正南方。更详细的还会配上四维，八干，一共是24个方位，四维是用艮表示东北，用巽表示东南，用坤表示西南，用乾表示西北。而八干是甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸。也就是说，古人所说的方位，是指的某个方位区域，而不具有连续度量的性质，比如说子这个方位，指的是正北方左右一定范围内，都是子位。

24方位图

接下来，我们先介绍最早出现于汉代的观天仪器，浑仪。

浑仪是以浑天说为理论基础制造出来的测量天体的仪器，浑天说是我国古代出现的一种早期宇宙学说，古人用双眼来观察天象，并根据观测到的天象来构想大地和天空的本源结构，于是慢慢衍生出了浑天说。这种宇宙学说最早认为大地是浮在水面上的，后来又演化为大地是浮在空气中，可以回旋浮动。而全天的恒星都分布于天球之上，日月五星附在天球上按照各自的路线周期运行，这种说法与我们前面说的现代天球概念已经十分接近了。

浑天说的代表书籍是汉代张衡的《张衡浑仪注》，其中有"浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。"的说法。浑天说的天球宇宙的说法比之更早的盖天说中天是半球形状的说法更为先进。

张衡浑天说

浑天说的起源可能在战国时期，到西汉的杨雄提出了"浑天"的说法，而西汉时期的天文学家落下闳则根据浑天说的理论建造了已知最早的浑仪。

由于古代天文学家测量天体的位置，一般用入宿度和去极度来表示的，所以最原始的浑仪可能是由两个环组成的，一个环是固定不动的赤道环，需要平行于赤道面，在环面上刻有周天度数365.25度。另外一个环是经环，也叫做四游环，能够绕着极轴转动，在四游环上安装有观测用的窥管，也叫望筒，可以理解为现代的望远镜，只是没有光学镜片，窥管是可以绕着四游环中心旋转的。

古人利用赤道坐标系来测量恒星位置是很方便的，因为恒星东升西落的周日运动都是平行于赤道面的。但是如果用这个来测量太阳位置就不太方便了，因为太阳运行的黄道与赤道有一个23.5度的夹角。为了便于测量太阳的位置，东汉的傅安和贾逵就改进了浑仪，增加了黄道环，并在永元十五年（公元103年）制造了名为"太史黄道铜仪"的浑仪。到了张衡时代，浑仪上又增加了地平环和子午环，后魏时期的斛兰等人在其铸造的铁浑仪底座上又设置了十字水趺，也就是相当于现代的水平仪，可以调整仪器的水平。根据记载，这架铁浑仪使用了二百多年。

经过不断的发展和改进，到了唐代李淳风后，浑仪的结构基本完善，整个浑仪的结构由外到内分为三组部件。

最外一层环圈叫做六合仪，作为主体的支架，由四环三圈组成。我们一般将铜制的圆环构件称为环，与它相应的天球坐标系中的基圈称为圈，所以四环三圈是说由代表3个基圈的4个圆环组成。

六合仪各部名称

上图中水平位置的是代表地平坐标系中地平圈的地浑环，在上面刻有方位，来表示方位角。

垂直于地平圈的子午环由两个并列的环组成，双环间留有缝隙，用来瞄准子午圈方向的天体，环上也刻有圆周刻度。

与天赤道平行的是赤道环，也称天常环或百刻环，时刻就是从这个环上读取的。

这4个环内外径相等，子午环上下两侧开有孔，为了安装中、内两层环系，这两个孔的连线就是天球的极轴或者叫旋转轴，地浑环安装在浑仪的基座上。

浑仪中间一层环系叫做三辰仪，代表赤道坐标系中的天赤道圈，两个赤经圈和一个黄道圈。

三辰仪各部名称

图中赤道环与六合仪中的赤道环在同一平面内，可以与三辰仪中的其他环通过赤道环的圆心且与赤道面正交的轴线回转，沿赤道环圆周上刻有圆心角，还刻有28宿在天赤道上相对应的位置标记

黄道环与赤道环相交，两交点对应天球上的春分点和秋分点，在黄道环上也刻有28宿的相应位置标记，有的黄道环是采用平行双环的样式，便于观测太阳在黄道上的位置。

两个赤经环，也就是图中的4和5环，一个通过春分点和秋分点，另一个与其垂直，通过夏至点和冬至点。

这4个环连成一体，在天球南北极各有小孔，用两轴与六合仪连接，可以在六合仪内绕极轴转动。

浑仪的最内层就是四游仪了，是由一对靠近的平行双环及一个观测用的窥管组成，双环的外径略小于三辰仪，可以在三辰仪内转动。

四游仪各部名称

将双环两侧的小孔套在浑仪两极的短轴中，双环及窥管就可以在三辰仪内绕南北天极转动，双环的位置如同天球上一个可以转动的赤经圈。在这个可转动的双环中，再转动窥管，就可以对准天球上任意一个方向的天体了。

四游环上也刻有度数，在观测时，先转动四游环，可将窥管带到任意天体的赤经圈上，然后在转动窥管，从管中看到该天体，这时就可以在四游环上得到天体的去极度，在外环的赤道环上可以得到天体的赤道度数了。

浑仪组合各部

在我国古代，浑仪的制作和使用是非常重要的，在《隋书 天文志》中，记载了孔挺制造浑仪的详细记录，对该浑仪的结构做了非常详细的描述。

唐代李淳风主持制造的浑天黄道仪，首次在浑仪上增加了白道环，也叫月游规，用于观测月亮。但宋代沈括取消了白道环，这是因为随着观测天体数量的增加，浑仪变得越来越复杂，而导致了使用上的不便。因此，沈括取消了白道环，而改用计算的方法来确定月亮的位置，这是浑仪发展史上的一个转折点，进而导致后来简仪的出现。

目前我国现存的最早的浑仪是明代制造的，是在正统而年（1437年）仿郭守敬设计制造的铜浑仪，现陈列在南京紫金山天文台。

南京紫金山天文台明代浑仪

这架浑仪原本安置于北京钦天监观象台，后被八国联军的德国夺走，直到1921年归还我国，在1931年被安置于紫金山天文台。

除此以外，就是位于北京古观象台的清代浑仪，是乾隆九年（1744年）制造，名为玑衡抚辰仪，这是我国历史上制造的最后一架浑仪。

北京古观象台清代浑仪

在古代，天文仪器也是政权的表征，每到改朝换代，都要将前朝的天文仪器带走，因为这些仪器不但是天文观测的仪器，还是帝王的重要礼器和祭器。因此，古代这些仪器的发展一直受到官方的控制，难以在民间发展。