本发明公开的基于机器学习的引力波探测链路故障快速诊断方法，属于深空探测技术领域。本发明通过构建双层神经网络，外层网络实现引力波探测链路控制故障区域的检测，内层网络实现引力波探测链路控制故障区域内具体故障参数的辨识，在快速进行引力波探测链路故障检测的同时保证故障检测的准确性；本发明通过使用先验数据训练得到双层网络引力波探测链路故障诊断模型，在应用网络结构模型时能够快速对引力波探测链路的故障区域及具体参数进行快速辨识和诊断。根据本发明得到的引力波探测链路控制系统故障快速诊断结果，实现引力波探测断链预警，进行星间链路控制系统的修复调整，从而维持引力波探测星间链路的稳定。