三垣二十八宿
恒星的位置并不“恒定”，只不过因为距离地球非常遥远，它们的位置变化，几百年甚至更长的时间都很难察觉出来。于是，古人在探索太阳、月亮和五大行星的运动规律时，顺理成章地把“恒定”的星空背景作为坐标参照系。
北斗与二十八宿苍龙星座人们要建立这个参照系，必须明确恒星分布的特征。通常是把恒星划分成若干个星群，叫做星官，类似现在所说的星座。每个星官的星数不同，少则一颗，多则几十颗，根据它们组成的形状，被赋予相似物的名称，比如，“杵”三星和“臼”四星，与实物极为相像。
有了名称的星官易于记忆，但中国的星官的数目太多，陈卓总结的1464颗星就分属于283个星官，仍然不便于辨认，这就需要更高一层次的划分。《史记·天官书》曾把可见星空分成五大天区，叫五宫。中宫是指北极附近的星空，除中宫以外的天空，以春分那一天黄昏时的观测为准，按东、西、南、北分为四宫，每宫又派生出七宿，共二十八宿，所有星官包括在中宫和二十八宿中，成为大单位下的小单位。虽然司马迁以后，星官数、星数都有很大变化，但基本框架已经成形。下面的表格是以陈卓星表统计的。
四象宫名宿名星官数星数苍龙东宫角亢氐房心尾箕46186玄武北宫斗牛女虚危室壁65408白虎西宫奎娄胃昴结觜参54297朱鸟南宫井鬼柳星张翼轸42245当太阳出现时，由于地球表面大气的散射作用，它的明亮遮掩住所有的恒星，使人无法判断其位置。古人注意到，杵和臼月相实质上显示了月亮和太阳的位置关系。比如，满月时，太阳与月亮相对，太阳西面落下的同时，月亮从东面升起；上弦月时，太阳与月亮相差90°，太阳落下时，月亮应当在头顶上方。观测月亮在恒星中的位置，可以倒推太阳的位置，所以，中国古代很重视研究月亮的运行规律。
二十八宿是怎样形成的？为什么偏是二十八而不是其他的数目？古印度也有过用28份划分黄赤道天区的历史，称为28个月站。而“宿”字与“月站”具有相同的含义，二十八宿的本义应该是月亮运行中的二十八个宿营地。事实上，月亮的恒星周期为27.32日，假设月亮每天走一宿，不能说不符合推测。然而，中国二十八宿的距度值是不等的，大的达33°，小的只有1°，这种不等的规定显然有违于月站的含义。不过，在先秦文献中可以发现二十八宿等间距分法的痕迹。究竟是什么导致了二十八宿不等间距的情况，始终是一个谜。
中宫后来又分成三个区，即紫微垣、太微垣和天市垣。垣，就是墙的意思。由于这三个天区都有像围墙一样的星官，所以这样命名。
天区星官司数星数中
宫紫微垣37163太微垣2078天市垣1987将全天星空分配于三垣二十八宿，从《史记·天官书》就开始了，但三垣和二十八宿的划分不是一次完成的，直到唐代的天文启蒙读物《丹元子步天歌》，才第一次较全面地以三垣二十八宿概括全天可见星空。
星表与星图
专门记录恒星位置的书叫星表。中国已知最早的星表保存在《开元占经》里。《开元占经》是唐代著作，而它收录的这份星表是战国时的石申及其门徒所测，共有121颗星。
敦煌卷子紫微垣星图恒星位置的测量是中国古代天文学家的常规工作。作为衡量其他恒星的标准恒星，各个星官距星的入宿度和去极度，就成了每次测量的重点。作为天文观测坐标的二十八宿的方位，历代天文学家更重视对它进行精密测定。李淳风在唐代贞观年间（627～649）的观测，发现了二十八宿的距度值与前代不同，但出于某种顾虑，他仍然使用汉代太初历的数据。100多年后，一行遇到同样的问题，他没有怀疑自己的测量结果，果断地采用了新数据。宋皇佑年间（1049～1054）的观测，记录下345个星官距星的人宿度和去极度，是清初西方星表引入以前现存星数最多的星表。宋代姚舜辅为了编纂《纪元历》，于崇宁年间（1102～1106）进行了一次观测，这次观测精度很高，测量误差只有0.15°，二十八宿距度被再次更新。元代郭守敬既精于仪器制造又精于天体测量，他的观测精度较之姚舜辅又提高了一步：二十八宿距度的平均测量误差小于0.1°。
陈卓之后，各代天文学家对1464颗星以外的其他星都不予重视，而郭守敬对这些无名星进行了系统的观测，并编入了星表。很遗憾，他的星表长期失传。直至近10年，才有人从北京图书馆善本书库明抄本《天文汇钞》中，查出书名为《三垣列舍人宿去极集》的书，未署作者名。经研究确认为郭守敬星表。与郭守敬同时代的赵友钦创造了恒星观测的新方法，即利用上中天的时间差来求恒星的赤经差，与现代的子午观测原理完全一致。
东汉星图南北朝时，祖冲之的儿子祖暅发现北极星并不在北天极，而是离北天极有一度多的角距离。600年以后的沈括则测为三度多，沈括把这两数的差异，归咎于祖暅的观测不够准确。
其实，不管是二十八宿距度的变化，还是北极星的偏极，都是岁差造成的。虽然古代天文学家已发现这种现象，而且不厌其烦地修正、观测、再修正，但是没有人对此作出任何解释，没有人去探究发生这种变化的真正原因。
星图，是恒星位置的形象记录。中国古代星图大致上有两种，一种是示意性星图，常常绘制在古代建筑物或墓穴内壁上，如五代吴越国文穆王钱元瓘墓室的顶部和汉代武梁祠的石碑上都刻画有星象。这种星图只起装饰作用，所以比较粗糙、简略，根本谈不上准确性。星象也往往是不全的，有的只是部分天区，甚至一两个星官。另一种星图则是为天文学家所用，为查找和计算恒星位置而绘制。所以这种星图准确性高，记录的星象比较完整。但从已知星图看，第二种星图远远少于第一种，而且唐代以前的几乎没有。
东汉蔡邕的《月令章句》记叙了汉代星图的大致结构，根据这段文字可复原当时的天文星图。该星图是圆形的，以北天极为中心，向外三层红色同心圆分别为内规、赤道和外规。内规相当于北纬55°的赤纬圈，表示内规以内的天区，总在地平线以上，全年都可看到。外规相当于南纬55°的赤纬圈，表示外规以外的天区，总在地平线以下，全年看不到。从内规外规的度数分析，此星图曾用于中原地区。
天球是三维体。但中国古代还没有掌握把它投影到二维平面上的技术。在图中，与北天极不等距的黄道应该是一个椭圆形，却被画成正圆形。在绘有赤道以南星象的圆形星图中，这种变形更为明显。大约在隋代，出现了一种用直角坐标投影的长条星图，称为横图。在横图上，虽然赤道附近的星象接近真实，天极周围的星象又发生歪曲。解决这个问题的最好办法就是分别绘制：用横图表现赤道附近的星象，用圆图表现天极附近的星象，宋代苏颂所绘的一套星图正是采用这种手法的代表作。这套星图出自苏颂的《新仪象法要》，图中所标二十八宿距度值，与他在元丰年间（1078～1085）的观测记录相同，说明此星图是他根据实际观测绘制的。
清代的星图，把天区扩展到南极附近，其与陈卓星表相合的有277个星官1319颗星，另外新设23个星官130颗星。新增加的星中，绝大部分在中国看不到，是根据西方星表补充进来的。
变星
中国古代天文学家强调观测恒星的位置，却不重视恒星亮度的定量化，一些描述，如明大、光润、光芒小等，概念很模糊，理解上因人而异。只有变星，而且是亮度变幅在可见和不可见之间的变星，才会引起天文学家的注意而被记录下来。
《史记·天官书》里记载：“有句圜十五星属杓，曰贱人之牢。其牢中星实则囚多，虚则开出。”后两句很重要，意思是如果“牢”里星比较满则囚犯就多，“牢”里星稀将赦免囚犯。有时星多，有时星少，说明有些恒星的亮度在变化。当它们变成六等以上的星时就为人们所见，反之，就好像消失了。司马迁所说的贱人之牢，就是后来的七公星官和贯索星官，对照现代星图，这部分天区相当于北冕座。北冕座确实有三颗变星，北冕座α、北冕座T和北冕座R，亮度变幅分别为2m-9.m5、5.m8—12.m5和6.m1—12m，都变化在可见与不可见之间，证实了古人的观察是正确的。
关于恒星亮度变化的占文还有很多，在去伪存真之后，将成为不可多得的研究资料。
新星和超新星
新星和超新星都属于变星，是爆发型的变星。新星爆发时，其亮度几天之内可增加几千至几万倍，随后慢慢变暗，一般经过几年或几十年，还原到爆发前的亮度。超新星的爆发规模更大，亮度增加几千万甚至几亿倍。
中国古代有关新星的可靠记录有50多例，超新星有10多例。最早的超新星记录见于《后汉书·天文志》的记载：“中平二年（185）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月乃消。”“南门中”大致对应现代星图中的半人马座β星，在β星的东南不远处，已证实存在一个射电源，有极大的可能就是那颗“客星”的遗留物。
天关客星位置图在寻找古代超新星与现代光学天体的对应关系上，1054年超新星是最先被证认的。据《宋会要》记载：“至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”至和元年五月，相当于公元1054年六七月间，天关星即金牛座ξ。这是当时司天监的观测记录。1731年，英国天文爱好者比维斯用小型望远镜在这个位置上发现一个椭圆形雾斑。1844年英国人W。P。罗斯通过大型望远镜观察到它的纤维状结构，并根据其外观，命名为蟹状星云。1921年美国人邓肯研究两组相隔12年的照片，惊奇地发现蟹状星云在膨胀。1942年荷兰天文学家奥尔特从星云的膨胀速度，反推出这些纤维状物质大约是900年前从一个密集点飞散出来的。经过很多天文学家的计算、分析，证实了蟹状星云就是1054年超新星爆发后的遗迹。1969年在蟹状星云中又发现一颗脉冲星。早在1934年，德国天文学家巴德就曾在理论上预言过，超新星爆发后，其中心部分将坍缩，变成体积小、密度极高、快速旋转的中子星。这颗脉冲星所反映出来的物理特征与预言完全合拍。说明确实存在过一次超新星爆发，因而从另一个方面证实了蟹状星云形成的原因。中子星的发现，成为20世纪60年代天文学的四大发现之一。
中国古代关于奇异天象的大量记录，与世界上任何国家相比，都是最可靠的，最完整的，从数据角度来说，可用率最高。古代记录为现代科学研究服务，是当年占星家们绝对想不到的事情。将来，当科学进一步发展时，这些记录也许会显示出更高的价值。