至元九年（1272）元世祖决定迁都，改原中都为大都。到达大都后他网罗天文人才，除原金朝、宋朝司天监的人员外，还召来了一些当时著名的天文学家，刘秉忠就是其中之一。刘秉忠曾创办书院，从事数学、天文学的教育，王恂、郭守敬等都师从于他。他向忽必烈提出改历建议，并推荐了王恂和郭守敬等治历人才。郭守敬有句名言：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表。”（《元史·郭守敬传》）他的话得到参加治历的同仁们的赞同，也得到了元世祖的全力支持，于是他为治新历先制新仪，全力投入大都天文台的建设工作中。 　　至元十六年（1279）修建大都司天台，地点选择在元大都东城墙下。据《元文类》卷十七杨桓的《太史院铭》，可知这不仅是元代太史院的办公之处，而且也是一个规模庞大的天文台。台高七丈，分三层，院墙长约123 米，宽约92 米。最高层是观测台，上有简仪、仰仪、圭表和玲珑仪；中间一层八个方位有八间房，分别放置图书资料、星图、浑象、计时漏壶等，是作观测准备和进行天文研究的专用工作间；下面一层是管理人员、工作人员的办公室以及仪器设备的储藏室，可见其设计周密，设备完善。 　　司天台最高层的仪器都是郭守敬设计制造的，都是极为出色的天文仪器，其中首推简仪。简仪是对古代浑仪进行重大革新后面貌完全改变了的测量仪器。它不拘泥于用浑圆的外形表示天球，不再是将天球上的大圆分层用圆环表示的古老形态。虽然它的测量结果仍与浑仪一样是天体的赤道坐标，但其使用更为简捷方便。简仪至少有下列六种创新：（1）这是世界上第一台由高低支架构成的赤道仪，贯穿于高低支架上的仪器转动轴就是极轴，测量部分可绕极轴旋转。现代天体望远镜的英国式赤道装置，其实就是从简仪结构中脱胎而来，不同的只是置于极轴上的观测部分换成了望远镜；（2）简仪充分利用空间，在高架下面安装有测量地平坐标的立运仪，成为一仪多用的综合性仪器；（3）仪器附加有安装调整使用的附属设备，如底座上有水槽可用于调整支架放置的水平，有正方案可保证仪器的极轴调整在子午面内，有候极仪可用于调整仪器的极轴高度，使极轴与观测点的地理纬度一致；（ ）一改过去度的圆周分割法，将一圆周分成分， 分为一4 3651 43600 10度，是采用360°分划，度以下采用十进位的新划分法，有利于提高分划精度；（5）在百刻环与赤道环之间装有四个可滚动的圆柱体，由于加入滚柱轴承，转动更为灵活；（6）仪器结构的变化是其中最重要的创新，如与极轴一道旋转的测量部分，只是一个四游环和一根窥衡，彻底避免了浑仪多重圆环互相遮挡的弊病。其他较小的创新还有窥孔中加十字丝以提高对中精度、以窥衡代替望筒等。毫无疑问，简仪是十三世纪世界上最杰出的天文测量仪器。第二件重要仪器是仰仪，其主体是一个直径一丈二尺的铜半球，像一口大锅，凹放在一个平台内。半球球心位置安放一个可以转动的景符。景符是一块宽二寸、长四寸中间带有小孔的铜板，阳光通过其上小孔可成像在球面上，于是由球面上的刻度线可读出太阳的位置。尤其是观测日食时，初亏的位置和时刻，食既到生光以及复圆的全过程，均可一一详记，它改仰观为俯视，减小了直视太阳时日光耀眼之苦，而且不易疲乏，可称得上是世界上第一台太阳投影观测仪。仰仪也是一种完全创新的天文仪器。 　　以上两件仪器，《元史》中均有详尽记载。司天台上的另一件重要仪器是玲珑仪，但《元史》中关于玲珑仪的文字却很少，因此在学术界有两种互不相同的看法，有人参照杨桓写的《玲珑仪铭》①中有“遍体虚明”、“人由中窥”和“十万余目，经纬均布”，理解为封闭球体上钻有十万余小孔，人在里面观看的假天仪，另一种意见认为它是一台浑仪。 　　大都天文台显然是一座规模巨大、工作人员众多、仪器精良、设计周密的天文台。但是在北方的上都还有另一座风格迥异的国家级天文台，上都司天台。双台并重，成了元代天文学的一大特色。至元八年上都回回司天台建成后，秩从五品，以札马鲁丁为提点。他所制造的七件西域天文仪器安置于台上。此台和这些仪器之所以重要，是因为它们是中国和阿拉伯天文学交流的产物。七件仪器名称如下：（1）咱秃哈剌吉（2）咱秃朔八台（3）鲁哈麻亦渺凹只（4）鲁哈麻亦木思塔余（5）苦耒亦撒麻（6）苦耒亦阿儿子（7）兀速都儿剌不定关于这七件西域天文仪器结构与功能的较详细介绍，请参见本卷第十六章札马鲁丁传。这些仪器明显具有西域特色，与中国传统天文仪器有所不同，其中“浑天仪”（咱秃·哈剌吉）极高三十六度，而上都的纬度近42.5°，因此它不会是为在上都安装使用而设计制造的。究竟为什么会这样，还有待进一步的研究。 　　进献这些天文仪器，是中外科学文化交流的重要事件。如果当时的元朝统治者能组织中国天文学家与西域天文学家一道对它们详加研究，并将必要的阿拉伯文献译成汉语，上都司天台及这些西域仪象显然能起更大的作用，但忽必烈并未这样作，回回司天台主要负责回回历书工作，这些具有西域特色的新鲜仪器未能发挥更大的影响。 　　① 收于《元文类》卷十七。