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祖冲之在天文历法方面的成就，大都包含在他所编制的《大明历》及为大明历所写的驳议中。
在祖冲之之前，人们使用的历法是天文学家[注: 天文学家是研究天文学、宇宙学、天体物理学等相关学科的科学家。因为有些哲学家、物理学家、数学家对天文理论有着不可忽视的影响，所以下面的列表中也包括这些人。]何承天[注: 语出:(1).承奉天道。《易·坤》：“至哉坤元，万物资生，乃顺承天。”《后汉书·郎顗传》：“夫求贤者上以承天，下以为人。]编制的《元嘉历》。祖冲之经过多年的观测和推算，发现《元嘉历》存在很大的差误。于是祖冲之着手制定新的历法，宋孝武帝[注: 生平简介 宋孝武帝（430-464）即刘骏。小字道民。宋文帝第三子，庙号世祖。 主要经历 初立为武陵王，元嘉末，为江州刺史，刘劭弑宋文帝，与荆州刺史刘义宣、雍州刺史臧质举兵进讨，自即帝位。]大明六年（公元462年）他编制成了《大明历》。大明历在祖冲之生前始终没能采用，直到梁武帝[注: 萧衍（464年—549年），字叔达，小名练儿，南兰陵中都里人。他是梁王朝开国皇帝南北朝时期著名政治家、文学家，史称梁武帝。]天监九年（公元510年）才正式颁布施行。《大明历》的主要成就如下：
区分了回归年和恒星年，首次把岁差引进历法，测得岁差为45年11月差一度（今测约为70.7年差一度）。岁差的引入是中国历法史上的重大进步。
定一个回归年为365.24281481日（今测为365.24219878日），直到南宋宁宗[注: 宋宁宗赵扩，南宋第四代皇帝，年号庆元。宁宗即位后，任用赵汝愚和韩侂胄。赵、韩两派斗争激烈。宰相赵汝愚倡导理学，引荐朱熹，企图组织韩侂胄参政。]庆元五年（公元1199年）杨忠辅制统天历以前，它一直是最精确的数据。
采用391年置144闰的新闰周，比以往历法采用的19年置7闰的闰周更加精密。
定交点月日数为27.21223日（今测为27.21222日）。交点月日数的精确测得使得准确的日月食预报成为可能，祖冲之曾用大明历推算了从元嘉十三年（公元436年）到大明三年（公元459年），23年间发生的4次月食时间，结果与实际完全符合。
得出木星每84年超辰一次的结论，即定木星公转周期为11.858年（今测为11.862年）。
给出了更精确的五星会合周期，其中水星和木星的会合周期也接近现代的数值。
提出了用圭表测量正午太阳影长以定冬至时刻的方法。
为纪念这位伟大的古代科学家，人们将月球背面的一座环形山命名为祖冲之环形山，将小行星1888命名为祖冲之小行星。
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