至元十六年(1278),为了制定更精确的历法,以指导农事。郭守敬上奏元世祖忽必烈:“唐一行开元间令南宫说天下测景,书中见者凡十三处。今疆宇比唐尤大,若不远方测验,日月交食分数时刻不同,昼夜长短不同,日月星辰去天高下不同,即目测验人少,可先南北立表,取直测景。”(《元史》卷一六四《郭守敬传》)忽必烈准奏后,在原有大都、上都等五处司天监的基础上,陆续设立了二十七所观测台、站。最北的北海测影所,据推算位居北纬64°5′,在北极圈附近;最南的南海测影所当在占城(今越南南方)。站所幅射的范围“东至高丽,西极滇池,南逾朱崖,北尽铁勒。”这样大规模的实测活动,“是亦古人之所未及为者”(《元史》卷四八,《天文志》一)。黄赤大距是黄道与赤道面相交的角度,长期以来一直认为是24°。郭守敬等利用研制的先进的天文仪器观测,得出“黄赤内外度,据累年实测,内外极度二十三度九十分”的数据,并且用数学计算验证,“以圆容方、直、矢接勾股为法,求每日(日、月)去极,与所测相符”(《元史》卷四八,《郭守敬传》)郭守敬测得的数据与现代观测值反差1′6.8″。是当时在世界范围内最精确的数据。我国古代对恒星位置的观测,是以观测二十八星宿为基础的。每一星宿用一星为距星,两距星间距离称为距变。元以前曾进行过五次测距。北宋崇宁年间测得结果的绝对误差总和为4°32,平均为9′。郭守敬用他创制的仪器测定结果的绝对误着总和为2°10′,平均只有4.5′,精确度提高了一倍。此外,郭守敬还对二十八宿中杂坐诸星进行测量,测出前人未命名的星一千余颗。观测的星数从1464颗增加到2500颗。欧洲文艺复兴前所测量的星只有1022颗。