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  北京地區最早的天文臺始建於金代天會五年(1127年),當時的天文臺被稱為候臺,隸屬於太史局,器材基本全部來自北宋在汴京所設定的天文臺。元代基本承襲了金代的天文觀測制度,至元十六年(1279年)曾建有司天臺。明朝初年司天臺被拆,並將司天臺的儀器運至南京雞鳴山新建的觀星臺上。永樂十九年(1421年)遷都北京後,欽天監並未搬遷,天文觀象活動仍在雞鳴山進行,北京另立“行在欽天監”,辦公地點在元太史院舊址,觀測活動則在其附近的齊化門城牆上用肉眼進行。永樂二十二年(1424年),紫禁城內建起一座宮廷觀象臺。正統二年(1437年),工匠前往南京用木料仿製儀器,之後運回北京鑄造銅製儀器。正統四年(1439年)製造完成渾儀、簡儀、圭表、渾象等儀器。正統七年(1442年)利用元大都東南角樓及周邊城牆的舊址修建的觀星臺正式建造完成,先前鑄造的儀器全部安放到臺上。自正統七年至正統十一年(1446年),觀星臺西側建起多座附屬建築,即紫微殿、東西廂房、晷影堂等,整體佈局呈四合院狀,作為欽天監外署,處理觀象臺各種觀測資料並編撰曆書。景泰六年(1455年)曾在社稷壇附近修建一座觀象臺,作為觀星臺的參照。嘉靖二年(1523年),觀星臺上樹立起一根風竿,竿上設定28道鐵箍,象徵28各星宿。此外還在臺上安放了渾天儀和簡儀。此外,嘉靖年間曾對古觀象臺大規模維修。

  順治元年(1644年),清朝入關,當年改觀星臺為觀象臺,隸屬於欽天監,地理位置不變,制度沿用明制,此後不久終止了南京雞鳴山的觀測活動。康熙七年(1668年),雞鳴山的全部裝置被運回北京,此後並未投入使用,部分儀器在之後儀器的製造當中被熔。康熙八年(1669年)欽天監副南懷仁上疏改造觀象臺的儀器,獲得批准。新儀器於康熙十三年(1674年)製作完畢,此次重製的裝置分別為天體儀、赤道經緯儀、黃道經緯儀、地平經儀、象限儀和紀限儀,採用的標準為西式的360°和60進位制的歐洲標準。而原採用360.25°劃分圓周的明制裝置被替換到了觀象臺下。康熙五十四年(1715年),由法國人紀理安監製,造出了整合地平儀和象限儀功能的“地平經緯儀”,為此臺上的儀器擺放有所調整,觀象臺東側北半部向東擴建。乾隆九年(1744年),清高宗在視察觀象臺後,認為明制天文儀器只有渾儀最古老且最具本土特色,於是欽天監和德國人戴進賢設計了一座“三辰公晷儀”,經過多次修改後於乾隆十九年(1754年)鑄成“璣衡撫辰儀”。為安放璣衡撫辰儀,觀象臺東南側向東擴建5米,形成現有結構。乾隆三十六年(1771年)時將明正統年間和成化年間鑄造的兩座天球儀熔燬,改鑄成了兩隻銅獅子。光緒二十六年(1900年)八國聯軍入侵北京後,古觀象臺上的赤道經緯儀、黃道經緯儀、象限儀、地平經緯儀、明制簡儀被法國搶走,存放於法國駐華使館;明制渾儀、清制天體儀、璣衡撫辰儀、地平經儀和紀限儀則被德國掠至波茨坦離宮。光緒二十八年(1902年),法國駐華使館歸還了全部天文儀器。光緒三十一年(1905年),為了不影響觀測工作,趕製完成的小地平經緯儀,與折半天體儀被安放於觀象臺上繼續使用。自雍正二年(1724年)至光緒二十八年(1902年)的氣象觀測資料,是世界上現存最早、最完整的氣象觀測記錄。

  1912年11月,北洋政府於古觀象臺成立中央觀象臺。1913年,臺內了設立氣象科,自此觀象臺承接了氣象觀測、天氣預報和地磁測定工作。第一次世界大戰結束後,1921年,根據《凡爾賽條約》,德國將先前掠走的天文儀器歸還至北京。1929年,中央觀象臺更名為國立天文陳列館,停止天文觀測活動,同時以原有氣象科為基礎成立北平測候所,保留氣象工作站職能。1930年,北平測候所改建為北平氣象臺。九一八事變後,1932年,明制渾儀、明制簡儀、明制漏壺、明制圭表、明制壺漏、小地平經緯儀和折半天體儀被全部轉移至南京的紫金山天文臺,以防被日軍搶走,觀象臺僅剩清制儀器。1937年北平為日軍所佔,華北政務委員會教育總署將北平氣象臺更名為華北氣象臺。1945年日本戰敗後,國民政府將華北氣象臺複名北平氣象臺,不久後又更名回華北氣象臺,繼續從事地面、高空氣象觀測,並進行短時天氣預報。

  中華人民共和國成立後,華北氣象臺被中央人民政府人民革命軍事委員會氣象局接管。1956年,北京天文館接收了古觀象臺,並將其被闢為北京古代天文儀器陳列館,當年5月1日正式對外開放。1959年後,古觀象臺先後為北京市物資局供應站、北京市科協幼兒園和中央科技館等單位用作辦公駐地,陳列設施只向科學工作者開放。1967年,修建中的北京地鐵建國門段要通過古觀象臺地下,經時任國務院總理周恩來批示後改道。1978年,古觀象臺重新交還北京天文館。1979年8月17日,古觀象臺東北角被大雨沖垮,經維修之後觀象臺內部被掏空,改建為兩層展廳,紫微殿等附屬建築也全部被闢為展覽用房。同年,古觀象臺被列為北京市文物保護單位。1982年,紫微殿落架大修,同年古觀象臺被列為全國重點文物保護單位。1983年,古觀象臺展廳正式對外開放。20世紀90年代時,技術人員在觀象臺上的儀器中發現了170餘處殘損。1994年,北京市政府根據技術人員反饋,決定維修古觀象臺的清代儀器,修復方案於1995年2月制定完成。北京市文物局於3月24日批覆同意修復方案。7月27日正式開工,11月底全部完工,12月14日驗收通過。2003年,紫微殿再次重修,耗時共計5個月。2005年,古觀象臺因南院的多間違規民居等因素而被勒令整改。

  古觀象臺位於北京市東城區建國門立交橋西南,總面積近1萬平方米,建築面積3800平方米,可分為觀象臺和四合院兩個部分。其中觀象臺為灰磚城堡式高臺,東西長24米,南北寬20米,高14米,臺頂南、西、北三面安放有大型銅製儀器,自東南向西北依次為赤道經緯儀、紀限儀、地平經緯儀、地平經儀、黃道經緯儀、天體儀、象限儀、璣衡撫辰儀,均為清制。四合院位於觀象臺西側,內有紫微殿、滴漏堂和晷影堂。紫微殿為正房,坐北朝南,面闊三間,大脊頂,屋頂覆有灰筒瓦,東西兩側各建有一座配殿。紫微殿左側安放有明制渾儀,右側安放有明制簡儀。紫微殿東側小房間為滴漏堂。晷影堂位於紫微殿東南,面闊三間。
古觀象臺,舊稱觀星臺,位於中華人民共和國北京市東城區建國門立交橋西南,是明朝、清朝及中華民國初年的國家天文臺。該天文臺建於明朝正統四年(1442年),原址為元大都東南角樓舊址,共分為城堡式高臺和四合院兩部分。城堡式高臺於清代曾兩次向東擴建。臺上儀器明清兩代幾經更換,1900年曾一度被全部搶走,1921年全部歸還。1956年後一度作為博物館開放,1959年改為辦公用房,1983年重新作為博物館開放。1982年,北京古觀象臺被列為全國重點文物保護單位。