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1668年，南怀仁奏报杨光先等在历法、测验方面的严重错误。康熙非常谨慎，他多次召杨光先与南怀仁到宫中当众测验，看谁的算法更准确。
1668年12月27日至29日，南怀仁以圭表观测证实了他推算的太阳位置与太阳的实际位置一致。
1669年2月1日，南怀仁到观象台，为火星和太阳位置的观测做准备。那里安置着一架黄道春秋分浑仪、一架青铜象限仪、一架铁纪限仪。他调整了浑仪的环和照准器、象限仪的方向和照准仪。
2月3日，火星果然处于浑仪照准器对着的位置，太阳处于象限仪和纪限仪的照准器所对准的位置，与他的推算一致。
1669年2月18日正午，南怀仁和螯拜支持的钦天监监正杨光先对决。康熙帝命大学士图海等20人会同钦天监官员，赴观象台共同测验。
南怀仁再次用象限仪观测太阳纬度，又得出了推算的太阳纬度与实际测试的太阳纬度相同的结果。
观测时间是靠事先的计算确定的，南怀仁还把一架直径差不多2尺的天球仪带到了观象台，以便向陪同的官员们讲解他的观测。
面对测验结果，杨光先仍为自己辩解，指责南怀仁“欲毁尧舜相传之仪器，以改西洋之仪器”。
然而，这种说辞再不能打动皇帝了。
由于杨光先等所做推算与实测不符，而南怀仁的推算皆与观象台的实测一致，最后，康熙帝推倒了杨光先诬告汤若望一案，为汤若望及同案死者平反。
杨光先被判死刑，但念他年老体衰，故恩准他告老还乡（杨死于返乡途中）。
1669年3月11日，礼部建议由南怀仁掌管钦天监。
康熙八年三月初一日（1669年4月1日），南怀仁被授以钦天监监副，负责“治理历法”。
初九日（4月9日）礼部再奉旨，“历法天文，概第南怀仁料理”。