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在南怀仁完成了观象台仪器的改造之后，他又接到了了清廷的新命令，——预推未来一两千年的历表。
康熙十七年七月，《康熙永年历法》三十二卷编撰完成。南怀仁将汤若望天顺治二年十二月所著诸历及二百年恒星表，相继预推到数千年之后。
《康熙永年历法》实际上是一部天文表。
它分为八个部分——日、月、火星、水星、木星、金星、土星、以及交食，每一部分名四卷。
各部分的开始给出一些基本数据，然后给出某一天体二千年的星历表。根据这些星历表，就可以很容易地编出民历。
在1665~1669年的数年间，南怀仁进行了多项科学技术活动。
他的最早描述天文观测的著作《测验纪略》一卷（1669），就是在此期间撰著的。
该著作实际上记述和图示了南怀仁在重新受到任用之前，所进行的两次重大天文观测的情况。
即康熙七年十一月二十四至二十六日（1668年12月27日～29日）测验和推算日影；
康熙八年正月三日、十七行政八日（1669年2月3日、17和18日）测验和推算立春、雨水两节气，以及太阴、火星和木星的躔度。
《测验纪略》在1671年或稍后出版了拉丁文本，名LiberObservationum，有6双页文字说明，并有12幅图。
南怀仁的另一种拉丁文著作出版于1677－1678年，名LiberOrganicus，包括8幅天文仪器图。
南怀仁最著名的西文著作是《欧洲天文学》（AstronomiaEu-ropaea，1687）。其手稿由柏应理带到欧洲，于1687年以拉丁文在欧洲迪林根（Dillin-gen）出版。
《欧洲天文学》是南怀仁1681年以前的著述。该书篇幅不算大，有前言5页，正文99页。南怀仁在前言中简明扼要地介绍了他来华前后耶稣会士在中国的情况，谈到他之所以出版这部著作，目的是要详尽说明欧洲天文学在中国的地位的恢复，而他本人则是做这项工作的最佳人选。
《测验纪略》、《仪象志》及《仪象图》的内容，经过少许改编并舍去了所有的附图，演变为《欧洲天文学》的部分内容。
然而，《欧洲天文学》与《仪象志》和《仪象图》一样，远非局限于天文历法知识。事实上，它包括了方方面面的内容，比后两者更为广泛，尽管篇幅不大。该著作共28章，内容大致可以分为两大部分。
第1至第12章为第一部分，是关于天文历法方面的历史性记述，反映了欧洲天文学在经历，“历法之争”之后，在中国重新得到承认并恢复其优势地位的整个过程。
南怀仁的记述从“历狱”开始，到他进呈永年历并受诰封止。这部分的内容包括：1668年指出历法中的错误，1668年末和1669年初的观测和推算，在钦天监负责治理历法的工作，钦天监机构及其任务，关于中国的天文历法的情况，进呈永年历、南怀仁本人及祖辈和父辈的受封，关于天文观测和仪器的说明。
第13至第28章为第二部分，是记述在北京的耶稣会士于1668～1679年间，在与数学和力学等有关的各种应用科学的实践活动中的成就。
南怀仁在进行了总的介绍之后，从14个方面分别叙述之：日晷仪原理和制作，弹道学应用于造炮，输水技术，机械学，光学，反射光学，透视学，静力学，流体静力学，水力学，气体力学，音乐，钟表制造技术，气象学。
最后，他总结了以天文和数学为代表的西方科学在中国的影响。
由于南怀仁在关于历法的争论中有着深刻的感受，所以，他在《欧洲天文学》中反复强调，在各个领域应用欧洲科学所取得成就，是整个传教团在中国赖以生存的基础。