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伴随蒙古帝国的西征，忽必烈之弟旭烈兀在西亚一带建立伊尔汗国，并随后在马拉盖地区（今伊朗西北部）建造了一座规模庞大的天文台。
这里汇集了许多当时优秀的天文学家，波斯天文学家纳西尔丁·图西就曾在此负责天文观测和计算活动，完成了著名的《伊尔汗历》。
在马拉盖天文台工作的，也有来汉族的天文学家，《伊尔汗历》中则有专门介绍中国历法的章节。
1267年，旭烈兀派遣西域天文学家札马鲁丁向忽必烈进献了七件西域天文仪器，史称“西域仪象”。其中，就包括黄道浑仪、天球仪、地球仪和星盘等。忽必烈还在上都创立回回司天监，任命札马鲁丁为回回司天监的提点，作为天文台的最高负责人。
回回司天监不但负责天文观测、计时以及占卜等事务，还负责编算和发行民用的回回历书。
此外，阿拉伯天文仪器具有大型化的特点，阿拉伯天文学家认为仪器的尺度越大，测量的精度也就越高，这样的理念后来也影响到后来的一些天文仪器。元代的登封观星台采用四丈高表，而非传统的八尺圭表，也被认为受其影响。
另据《秘书监志》记载，元代曾使用有“积尺诸家历”。所谓“积尺”就是阿拉伯文Zj，指用于推算日月和五星位置，以及日月食时刻的阿拉伯天文算表，这些算表也成为此后编撰《回回历法》的基础。
元朝覆灭后，明太祖朱元璋对阿拉伯天文学也格外重视。在攻克元大都后，他下令将回回司天台所藏大量阿拉伯文及波斯文的天文著作运至南京，并先后吸纳了几十位原本为元朝服务的回回天文学家，包括马德鲁丁、马沙亦黑与马哈麻等。
朱元璋还派遣汉族天文学家去回回司天监学习，对从元朝缴获而来的部分天文学著作进行翻译，在1383年前后完成了《回回历法》。在明代，回回历法获得了与官方大统历相互“参用”的地位，常被用于日月食的预报。日月食是中国古代星占中最为凶险的异常天象。与大统历相比，回回历法在预报日月的食分大小方面具有一定优势，能够为日月食的预报及其攘灾救护提供参考。
在回回历法之前，中国传统历法无法预报月五星凌犯，所谓“凌犯”就是一个天体靠近另一个天体，意味着“侵犯”之意。每当发生凌犯现象，古人都会对其进行相应的占验。对于相信天命的朱元璋来说，如果能实现对这一天象进行预报，并提前采取应对措施，以消弭可能出现的不利事件，无疑具有很强的吸引力，这也成了朱元璋对阿拉伯天文学极为重视的原因之一。随着回回历法被用于凌犯推算，外来的阿拉伯天文知识得以与中国的传统星占相结合，出现了“以回回之法，占中朝之命”的特殊文化现象。
《回回历法》中还有一份恒星星表，记载有黄道附近的277颗恒星所在的星座名称、编号、黄道经度和纬度、星等。这也是目前已知最早在中国介绍星等概念，以及进行中外星名对照的恒星星表。
此外，与《回回历法》一同编纂的还有一部阿拉伯星占著作，这就是《明译天文书》，该书翻译自阿拉伯天文学家阔识牙儿的《星占学导论》，也是当时一部有影响的关于命宫占的著作。
朱元璋还曾命令手下的天文学家对中国和阿拉伯天文历法系统进行会通，即“欲合而为一，以成一代之历志”，通过将两者结合，制定出一部更为杰出的历法。但因为两种天文系统存在一些显著的差异，最终未能如愿。
虽然朱元璋未能实现将传统大统历法和基于阿拉伯天文学的回回历法合二为一，但这两种历法在明代自始至终都被相互参用，成为官方正式采用的两部历法。
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