周王朝建立后，周武王认为嵩山是天室，并在此祭天。成王继位后，摄政的周公遵照武王的遗嘱营建新都洛邑。在占卜盛行的时代，周公一方面做洛邑位居地中、“求地之中，以建王而阜安万民”、“王者必居土中”的舆论，一方面打着制订历法、发展农业生产的旗号，开始了中国历史上第一次大规模的天文测量。他在全国设置了五处观测点，以颍川阳城为中表，开始筑土圭、立木表，测量日影。通过日复一日、年复一年的测量，周公把测量的数据一一记录下来，发现了日影有一个由长到短再由短变长的周期，并根据每天日中日影的变化找出了季节的变化，得知了冬天日影长、夏天日影短的规律。于是，他就把一个周期称为一年，并把日影最长的那一天定为冬至，把日影最短的那一天定为夏至，把长短变化中的两次等分点分别称为春分和秋分，这样根据四季变化指导农业生产就有据可依。

古时，因为科技落后，生产力不发达，认识水平低下，人们认为天圆地方，认为天球投影下的地球南北长三万里。与八尺表测量出来的日影长对照，认定“影长一寸，地差千里”。周公利用圭表之法“测土深、正日景、求地中、验四时”，发现登封阳城夏至时表影长一尺五寸，恰在地球南北的中心点上，于是就认定这里为天地、宇宙的中心。正因为此，周公即派太保召公去距地中阳城仅一百多里的洛邑观察地形，随后亲往洛邑营建都城。周公证得阳城为天地之中，于是中原地区被称为中国，豫州被称为中州，华夏民族被称为中华。中国、中华、中州、中原、中岳、中土、中央、中天等词语中的“中”字都由此而来。连河南方言也不说“好不好”、“行不行”，而说“中不中”。

唐开元十二年(724年)，著名天文学家僧一行奉命“考前代诸家历法，改撰新历”，再次组织了一次空前的天文测量，他仍以登封阳城为中心观测点，并根据实地测量结果，编成了结构严谨、条理分明的《大衍历》。他的下属南宫说为保存周公测景的旧制，遂把周公时期的土圭木表更改为石圭石表，并刻上“周公测景台”五个大字。

至元十三年(1276年)，忽必烈任用著名的科学家郭守敬、王恂等人进行大规模的天文观测活动，以改进、修订历法，这就是著名的“四海测验”。改历之初，郭守敬就敏锐地首先提出实际观测是治历之本的原则，他说：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表。”所以他集中精力研制新的天文观测仪器，在简要实用的原则指导下，他先后创制了简仪、高表、仰仪、景符等十八种天文仪器，而简仪和高表是最重要的两种仪器。而观星台实际就是郭守敬创建改进的高表。为了制订出更加精准的历法，郭守敬向忽必烈进谏说：“唐朝开元年间，一行和尚曾命令南宫说到天下十三个地区实地观测，而今天国家的疆域比唐时尤为广大，更需要到边远的地方进行测验。不然，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，可以先南北立表，取直测影。”英明的忽必烈批准了他的建议，于至元十六年(1279年)，设十四路监候官，分几路出发到全国各地进行天文观测。据记载，登封阳城就是这次四海测验活动中的一个观测所，并且是当时全国的中心观测站。至元十六年三月，郭守敬由上都、大都开始，历经河南，转抵南海，行程数千里，亲自掌握这一路的测验，曾亲自在登封阳城主持观测，得出了阳城“北极出地三十四度太弱”的结论。今天的登封观星台北京观象台是郭守敬创建的两所永久性高表。登封观星台是一座具有测影、观星和计时等多种功能的天文台，也是“四海测验”中二十七座观测站迄今仍然保存于世的唯一一处。观星台不仅是我国现存最的天文台，也是世界上最古老的天文遗址之一。观星台距今已有700多年历史。她是世界上沿用最久、保存最为完整的古天文建筑之一，是我国历史上天文科学发展高峰的佐证，也是目前我国现存最早的一座观星台。

郭守敬通过在观星台的实地观测，掌握了地球运转的规律，并准确地测出二十四节气，特别是夏至、冬至、春分、秋分的准确时间，于至元十七年(1280年)编制出了当时世界上最先进的历法——《授时历》，该历法的一个回归年长度为3652425天，合今天的365.2422天即365天5小时49分12秒，同现代科学测定的回归年长度365天5小时48分6秒相比，一年仅长0.0003日即26秒，而与现今世界上通用的格里高利历相比一秒不差，但却比它早了三百多年。《授时历》编成后，元世祖忽必烈根据《尚书》中“敬授民时”一句定名为《授时历》。《授时历》使用长达364年之久，是我国历史上施行时间最长的历法。后来元朝皇帝还下诏书把《授时历》赐给高丽(今朝鲜)、日本、安南(今越南)等国家使用。