开始测量时，先在圆心处立一个表，在表的顶端系根绳子，用绳子瞄准南中天的星宿。当二十八宿中某一宿的距星到达南中天时，一个人快速转动绳子，瞄准与其相邻的另一宿的距星，同时让另外一人拿一根活动表杆，在瞄准的同时，把活动表杆立在视平面与圆周的相应交点上，这个交点与圆周上正南处点的距离，就是这两宿之间的距度。利用这种方法，可以依次测定二十八宿彼此之间的距度，并将其在相应的天文图上标定出来，这就叫立“二十八宿以周天历度”。其他各种天体的人宿度，也都用这种方法来测。
但是，用《周髀算经》这种方法测得的，只能是二十八宿依次转至正南时的地平方位角，而不是其，赤经差。按这种测量结果把二十八宿的距度累加起来，必然要超过36514这个周天圆的总度数，这是不允许的。要想在365.25尺的大圆圈上合理地绘出二十八宿的星图，必须对原始数据进行一定的数学处理，乘上一个小于1的比例因子。《周髀算经》并未明确提到这种处理方法，但是它提到要把东井和牵牛这两个相对的星宿分别置于圆周上“丑”和“未”这两个相对的方位上，这样做到“天与地协”——天上的实际情况与地上标绘的星图相一致。但依据《周髀算经》所介绍的测量方法，不可能得到这样的结果。所以，当时的天文学家们一定对他们的测量结果进行了某种形式的数学处理，从而使其得到了基本符合实际的结果。
《周髀算经》的做法反映出古人的测度思想。分周天为365÷度，度是在天上的，为要进行测量，就要将其对应缩小到地。正如该书所云，在地上作圆并如此分度，是要“以应周天三百六十五度四分度之一”，即是为了与天空大圆的36514分度相对应。而周髀家们认为，天是一个盖，地像一个大干板，天在上，地在下，天地分离，天绕着天极平转，一昼夜转过一周。日月五星依附在天壳上，在被天壳的旋转带动的同时，也有自己的独立运动，就像一个蚂蚁在旋转的磨盘上爬行一样。二十八宿等星辰嵌在天壳上；环绕天极排成一周。《周髀算经》的这种学说，在中国历史上被称为盖天说。根据盖天说的宇宙结构模式，日月星辰依附在天壳上平转，将这一图景缩映在地面上，依据相应的比例关系，就可以将其相对位置测定出来，这就需要在乎地上画圆。因为天是平的，只有在平地上回圆，才能跟天的实际情况对应起来。
但是，即使按照盖天说的这套理论，《周髀算经》的这套测算方法也不够严格。因为若完全按照比例对应的关系进行测量，则天壳的大圆与地上测量用的小圆圆心应该相对，即此类测量应在天北极之下(天壳旋转中心，即盖天说所谓之“天地之中”)进行，否则天上一度与地上一度弧长比值就不是常数。因为按《周髀算经》介绍的方法测量出来的只能是角度，而对同一角度，距测点距离不同，它所对应的弧长当然也不同，这就无法按比例推算，而《周髀算经》测量思想的核心就是比例对应，这正是它不够严格的原因之所在。不过，这一缺陷，盖天家们无法克服，在当时社会背景条件下，人们不可能跑到天北极之下进行测量。
另外，依照《周髀算经》介绍的这套方法，无法测出天体的去极度来。去极度这一概念，对盖天说而言也并非必需。
《周髀算经》测量方法的这两个不足，在继盖天说而起的浑天说中，得到了弥补。
浑天说是西汉时期发展起来的一种宇宙结构学说。该学说认为，天是一个圆球，天包着地，天大地小，地是平的，天绕着地旋转，天的北极高出地面36度，南极则低于地面36度。浑天说突破了盖天说“天在地上”的传统观念，认为天可以转到地的下面。这在思想观念上是一个很大的创新，因而在历史上引起了长达数百年之久的浑盖之争。
浑天说产生的具体肘间，现在还有不同的说法。战国时代的慎到(约公元前4世纪)曾经说过：“天体如弹丸，其势斜倚。”这是典型的浑天说思想。但由于《慎子》一书在历代辗转流传当中，迭经后人删改，今日所见已非其原书，且一般版本中不见有此语，所以这一说法的来源，也令人生疑。当然，春秋战国时期，人们思想活跃，提出天为球形的说法并非绝无可能，但是，即使有此说法，在当时毫无反响，足证其影响甚小，亦未形成理论。由此，不能认为浑天说作为一个学说在当时已经出现。慎到的说法，只是反映了一种粗浅的浑天观念。
真正把浑天观念形成理论并使之物理化了的，是汉武帝时的落下闳。武帝为制订《太初历》，曾从民间招募了一批天文学家，落下闳即是其中之一。落下闳相信浑天说，并依据浑天说原理制成了相应的观测仪器，还根据他所观测到的数据制定了新的历法，使浑天说成了能够被检测验证的理论。《史记》索引《益部耆旧传》说：“闳字长公，明晓天文，隐于落下，武帝征待诏太史，于地中转浑天，改《颛顼历》作《太初历》。”即是说，落下闳精通天文，隐居于落下这个地方，后来受武帝征召，参与制订新历，做出了自己的贡献。“于地中转浑天”一语，就是落下闳对浑天说观测理论的贡献。
依据浑天说，天包着地，并且从地下转过，这样，传统盖天说那套在平地上画圆立表瞄准星星进行测望的办法就不再有效。要进行测量，就需要将在平地上画的圆立起来，使其与天体运动轨道取向一致，即与天赤道面重合。立起来以后，原来在圆中间立的表不再起作用，它被一根经过圆心可以绕圆滑动用于瞄准的窥管所代替。在赤道面内立着的这个圆环再加上这根用以瞄准的窥管，就构成了一种新的测量仪器，人们把它叫做“浑天”、“员仪”、或者“浑仪”。引文中落下闳“于地中转浑天”一语，就是指的落下闳用“浑天”这种仪器进行天文观测的事实。到了后世，人们才逐渐用“浑仪”这一名称，来专指这种测量仪器了。
早期的浑仪，大概只有在赤道面内立着的一个圆环，这使得它只能做天体的人宿度即赤经差因素的测量，使用范围受到限制。为了克服这一缺陷，人们又在浑仪上增加了一些相应的环圈，使得窥管可以指向天空任何一个区域。这就使得它既可以进行人宿度的测量，又可以测出任何一个天体的去极度，从而成了中国古代至为重要的一种天文观测仪器。浑仪的一般结构，我们在“机械计时的进化”一节中已有所介绍，这里不再赘述。
用浑仪测定天体空间方位，其实质与《周髀算经》介绍的方法类似，都是基于一种比例缩放思想：通过窥管的瞄准(《周髀算经》中则是用表和绳)，把星宿在天空大圆上的相对位置对应缩小到浑仪的相应环圈(《周髀算经》中是地上的大圆)上，观察它们在环圈上的距离，就可以知道它们在天上相距的度数。
既然浑仪测天的实质是同心圆上对应弧长的比例缩放，这就要求浑仪位置一定要置于天球中心，即古人所谓之“地中”，否则，这种比例关系就不能成立，测量结果就会有偏差，就会导致历法编算的失误。由此，古人强调这种测量一定要在“地中”进行。上文说到落下闳“于地中转浑天”，表现的就是这种思想。这一点，盖天说是无能为力的，因为盖天说主张的地中在北极之下，是人迹难至的地方。而浑天家们则认为地中就是天球的球心，位于阳城，在今河南登封附近，只要在那里进行测量，得到的结果就是精确的。
正因为古人有这样的认识，历代都有人去孜孜不倦地追求这个子虚乌有的地中。从汉代的落下闳、南北朝时期的祖唯，到唐代的一行、宋末元初的赵友钦，无不如此。一直到了明末，西方几何学传入中国，古人建立了圆心角概念，以之取代了以弧长比例缩放为基础的传统测度思想，加之地球说的出现，这才使得古人寻求“地中”的努力，最终寿终正寝。这一发展过程，与古人天文测度思想的演变是分不开的。
朔望月长度的测定
在传统历法中，朔望月长度是一个重要因素。所谓朔望月，是指月亮的月相完成一次由圆到缺又由缺到圆的变化所经历的时间。我们知道，月亮绕着地球转，地球又绕着太阳转，它们三者的相对位置时时都在变化。从地球上看去，在不同的位置，月亮呈现出不同的形状，这叫月相。当月亮处于太阳与地球之间时，它们同时从东方升起，月亮背对地球的一面被太阳照亮，而它的黑暗半球却对着地面，太阳的光辉淹没了月亮的所有形象，这个时刻就叫做朔。在天文学上，朔是指月亮黄经和太阳黄经相同的时刻。
在朔之后，月亮与太阳逐渐拉开距离，这时它被太阳照亮的半球慢慢显现出来。开始，人们只能看到一钩淡淡的蛾眉新月，随着日期的推移，月亮被人们看到的部分也逐渐增多。到了朔之后的大约第15天，月亮运行到与太阳隔地相对的位置，这时它被太阳照亮的半球完全朝向地球，人们看到的月相是一个明亮的圆盘，这就是满月，相应的时刻叫望。在天文学上，望是指月亮黄经和太阳黄经相差1800的时刻。
过了望后，月面逐渐消瘦下去，月亮向日，地连线方位移近，到最后，月亮重新回到朔的位置，月相本身也经历了一次由缺到圆又由圆到缺的完整变化。这一变化所经历的时间，就是一个朔望月。在天文学上，朔望月就是从朔到朔或从望到望所经历的时间。
根据朔望月的定义，可以想象得出对其时间长度的测定方式。例如只要准确测定相邻两次朔或望的时刻，就自然可以得到朔望月的长度。但实际操作起来，却并不那么容易。因为朔的时刻，人们观察不到月相，无法测定；而望的月相虽然十分醒目，但要通过观察月圆与否来判定望的准确时刻，却也不是那么简单。此外，还有另一个十分重要的因素：朔望月的长度不是固定不变的(见本书“时间计量单位的确立”一节有关内容)。人们平常说的朔望月长度，都是指的平均朔望月。平均朔望月的长度不可能通过一两次对朔或望的测定而得到，因为那样做误差太大了。
平均朔望月长度的认定必须通过长期的观测统计。古人在确定这一数据时考虑到了朔望月与回归年长度的关系，通过数学运算得出结果。这一运算利用了闰周和回归年的关系。所谓闰周，是指农历安置闰月的周期。因为根据现代观测数据，朔望月的平均长度约为29.5306日，回归年的长度约为365.2422日，它们之间不成整数倍关系。这样一来，如果以12个朔望月作为1年，则历法年与回归年长度就有较大的差距。为了使历年的平均长度与回归年尽可能的一致，每隔一段时间，就需要加进1个闰月。在有闰月的年份里，1个历年包括13个朔望月。而闰周，也就是指在一定数目的年份内所需要安置的闰月数。显然，知道了回归年的长度，知道了闰周，就可以推算出朔望月的平均长度来。
闰周的确定需要通过对实际天象的观测和资料的积累，首先要掌握由朔望月来安排历谱的规律。传统历法有一特点，它要求历日与月相建立严格的对应关系，这就需要认真观测天象，根据观测结果来安排历谱，即排定历日，安置朔望月。掌握了朔望月安排规律，积累的数据增多，就可以总结出闰周来。有了闰周，回归年长度又可以通过立表测影方法得到，平均朔望月的计算，也就成了轻而易举之事。
中国古代留传下来的最早的朔望月数值是29499日，这个数据就是用上述方法推算出来的。这是古《四分历》的数据。当时，人们认识到的回归年长度值是1个回归年等于365日，而闰周是19年7闰。所谓19年7闰，是指19个回归年等于19个历年加上7个闰月。每个历年按常规是12个朔望月，19个历年共228个朔望月，加上7个闰月就是235个。根据这些数据，就可以推算出乎均朔望月的长度来：
19个回归年：19×36514日=693934日
235个朔望月=19个回归年=693934日
1个朔望月：693934日÷235=2912434235日
=294994235日=29499940日数值吻合得这么好，证明29499这个数据只能是从《四分历》的回归年和闰周推算出来的。虽然是推算所得，因为回归年和闰周这两个数据的获得，都是以长期的天文观测为基础，所以由它们出发推算朔望月数值，也能保证一定的精度。把上述《四分历》的朔望月值化成小数，得29.530851日，与现今测定值29.530588日相比，误差仅为+0.000263日，已经相当精确了。
但是，利用闰周和回归年来推算朔望月数值的做法，也还存在缺陷。因为19年7闰这个数值，虽然在历史上从春秋中期一直沿用到南北朝时期，但它只是个约数，完全由它来推算朔望月，就会在回归年和朔望月精度提高方面产生某种限制。具体地说，19年7闰意味着19个回归年包含着235个朔望月，于是朔望月的长度就等于19个回归年所包含的日期除以235。235这个数据是不变的。这样，回归年测量数据的改变就直接影响到朔望月的推算结果，反之亦然。例如，东汉末年的天文学家刘洪把。回归年长度减少为365145589日，比传统的36514日更精确，据此得出的朔望月数值为297731457日，即29.530542日，这一数据比实际的朔望月长度变小了，其误差为-0.000046日。三国时魏国杨伟《景初历》的数据，则表现出另一种趋势，他取朔望月为2924194559日，即29.530599日，误差降低到只有+0.000011日，但回归年数值却增加为3654551843日，即365.24688日，比刘洪的回归年数据误差要大。这就是说，由于19年7闰这一闰周的限制，人们对回归年和朔望月长度的追求有一定限度，超出这个限度以后，减低回归年误差，朔望月误差就增大；相反，减低朔望月误差，回归年误差又增加了，两者处于一种相互牵制的状态。
之所以出现这种情况，是因为朔望月、回归年之间并不具备简单的数值关系，19年7闰并不精确，还有更精确的闰周。果然，412年，北凉的赵欧(此字在历史上仅此一见，古音已失)就打破了19年7闰这个框框，创用了600年221闰这个新闰周，他的回归年和朔望月这两个数据都比过去精确。祖冲之则进一步把闰周改进为391年144闰，他用他所测算的回归年长度和这一新的闰周，推算出了朔望月的长度为29.530592日，误差仅为+0.000004日，可谓空前精确。