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在学术上则王恂主推算，郭主制仪和观测。后来太史局改名为太史院，王恂任太史令，郭守敬为同知太史院事，建立了天文台。当时还有杨恭懿等人一起参予此事。经过四年的努力，终于编出了新历，由忽必烈定名为《授时历》。
《授时历》是中国古代一部很精良的历法。王恂、郭守敬采取理论与实践相结合的科学态度，他们首先分析研究了汉代以来的四十多家历法，吸取各历之长。王恂和郭守敬主张制历应“明历之理”并提出“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表”，因此在新历法制定过程有许多重要的成果。
《授时历》也是我国古代最精密的一部历法，和南宋杨忠辅制的统天历一样，以365.2425日作为一回归年，如果以小时计算，是三百六十五日五时四十九分十二秒，比地球绕太阳公转一周的实际时间只差二十六秒，经过三千三百二十年后才相差一日，跟目前国际通用的公历完全相同。但是格里历公元1582年才开始使用，比《授时历》要晚三百年，比统天历更晚了近四百年。
应用招差法推算太阳、月亮以及五星运行 在研制《授时历》的过程中，郭守敬等人在数学上也取得了很大的成就。授时历应用招差法推算太阳、月亮以及五星逐日运行的情况，要欧洲早四百年，英国天文学家格列高里最先对招差法作了说明（公元1670年），在牛顿的著作中，直到公元1676至1678年才出现招差法的普遍公式。
《授时历》编成以后，郭守敬集中精力编写著作，先后撰成《推步》、《立成》、《历议拟稿》等天文书稿十多种，一百多卷。这些书籍，包括极其珍贵的两个星表，后来都失传了。仅《授时历经》、《授时历议》和简仪、圭表等几种仪器的构造和使用方法，由于载入《元史》，才得以保存下来。
郭守敬为修历而设计和监制的新仪器有：简仪、高表、候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪以及星晷定时仪12种。在大都（今北京），郭守敬通过三年半约二百次的晷影测量，定出至元十四年到十七年的冬至时刻。他又结合历史上的可靠资料加以计算，得出一回归年的长度为365.2425日。这个值同现今世界上通用的公历值是一样的。
中国古历自西汉刘歆作《三统历》以来，一直利用上元积年和日法进行计算。《授时历》则完全废除了上元积年，采用至元十七年的冬至时刻作为计算的出发点，以至元十八年为“元”，即开始之年。所用的数据，个位数以下一律以100为进位单位，即用百进位式的小数制，取消日法的分数表达式。 郭守敬等人根据大量观测资料，并仔细研究了自西汉以来的七十种历法，编制出了新历法――授时历。从公元1281年起，《授时历》开始在全国颁布实行，使用时间长达三百六十三年（公元1281－1643年），是我国历史上使用最长的一部历法。 郭守敬是与张衡、祖冲之等人齐名的我国古代八大科学家之一，是13世纪末登上世界科学高峰的杰出人物。郭守敬在研制新历法过程中，认真分析研究了西汉以来的70多种历法，广泛吸取前人的经验，同时也坚持进行实际的测量，努力提高新历法的精度。
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