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1943年以后盟军在大西洋上已经取得了反潜护航的全面胜利，保证了由美国本土运往英国的大批物资、人员安全地横渡大西洋。英国几乎成了一个大兵营，驻有来自十一个国家的近三百万部队，每个机场都停满了飞机，每个港口都挤满了舰船。据不完全统计，从1942年1月至1944年5月，由美国运到英国的各种物资达五百三十余万吨。
在所有物资中，最重要的就是登陆艇，为了保证足够数量的登陆艇，盟军不仅将登陆时间推迟了一个月，还将原计划同时发起的在法国南部的登陆推迟到8月。美军陆军总参谋长马歇尔不顾海军的强烈反对，从太平洋战场调来一批登陆艇，这才凑够足够的登陆艇。
为填补舰炮火力与部队上陆之间的火力空白，盟军创造性地将大炮、多管火箭炮装上登陆艇，改装成火力支援艇，伴随登陆艇一起冲击，提供不间断的火力支援。
为了快速突破德军的雷区和防御阵地，英军的坦克专家陆军少将霍巴特提议研制特种坦克，组建特种装甲部队，在工兵登陆之前上陆，压制德军火力，清除雷区，破坏障碍，充当开路先锋。1943年3月英国总参谋长艾伦·布鲁克陆军上将批准他的提议，并责成他具体承办。霍巴特经数月努力，研制成功两栖坦克、铺路用的“转筒”坦克、扫雷坦克、喷火坦克、架桥坦克、工兵突击车等多种特种坦克，并训练出一批特种坦克驾驶员，英军在此基础上组建了第79装甲师，任命霍巴特为师长。该师在类似诺曼底地形的英国诺福克海滩进行了演习，效果显著。
英军邀请美军观看演习，但美军第1集团军司令布莱德利没有认识到这些特种坦克的重要作用，没有选购特种坦克。结果在同样坚固的德军工事面前，英军顺利登陆，美军则死伤惨重，为此布莱德利在战后遭到了很多人的指责。
在所有的准备工作中，最大的工程就是人工港了。由英国海军少将坦南特负责。共造两个人工港，代号分别为桑树A和桑树B。首先建造146个空心混凝土沉箱，每个沉箱长61米，根据沉没处的海水深度有八种不同尺寸，最小排水量1772吨，最大排水量6044吨。沉箱里设有舰员舱室，还有2门高射炮。
有可供上浮的浮箱，有使其下沉的通海阀，打开后在十多分钟内就可沉到指定位置。沉箱无法自航，将由拖船拖过海峡，沉在离岸一海里的5.5米等深线上，组成约9000米长的防波堤。建造这些沉箱共需60万吨混凝土和3100吨钢材，而建造时间只有半年，几乎超过了经历四年战争后的英国工业能力，但英国竭尽全力来完成这一工程，先后有500名军官，1000名士兵，20000多工人和许多造船单位参与建造。
在146个沉箱中，有57个是在仅有的八个干船坞里建造，有41个是在浮船坞和船台上建造，余下的41个无处建造，而且时间急迫，坦南特情急之下在泰晤士河附近先挖出12个深坑，再在坑里建造沉箱的基础部分，然后在坑中注水，在漂浮状态下造完其他部分。
其次建造23个直码头，以供登陆舰上的车辆直接驶上海滩。直码头由61米长，17米宽，18.4米高的排水量5000吨的钢箱连接而成，固定在打到海底的桩子上，可随波起伏。最后考虑到五六月间英吉利海峡风大浪急，决定在混凝土沉箱防波堤外沉下3艘旧军舰和56艘旧商船，并在沉船外侧约半海里处系留若干个长61米的十字形钢制构件，成两列用锚固定在18米等深线，组成约7000米长的防浪堤。
这样由沉箱、直码头、沉船、十字钢构件组成的人工港，面积约五平方千米，是较完整的防浪水域，可同时停泊7艘吃水10米的大型舰船、20艘近海运输船、400艘拖船和1000艘小艇，预计日货物吞吐量1.2万吨。建成人工港的各个部件后，还需要把这些多达400个总重约150万吨部件从建造厂地运到英格兰南部装配，最后由拖船拖过海峡。整个工程终于在1944年6月初完成，实际上个完整的海港，其规模相当于英国的多佛尔港，通过这一人工港，盟军可以在没有攻占大港口前卸载部队使用所有物资。
除了人工港外，盟军还有一项创举——海底输油管。这是考虑到登陆后会有大量的机械化部队参战，对燃油的需求极大，为保障燃油供应，盟军专门成立负责海底输油管的机构，也由坦南特领导。共铺设了四条直径分别为15毫米和25毫米的软钢管，从英国岸上先铺到海中的系泊设施上，再到登陆滩头。每小时可从英国向滩头输送600吨燃油，能基本满足要求。
盟军的战前准备认真细致已到了令人难以置信的程度，例如考虑到首批空降部队是由好几个国家的士兵组成，又在夜间，服装各异，装备不同，语言不通，为解决敌我识别的难题，给空降部队的官兵每人配发一只价值仅几美分的“蟋蟀”玩具，这种玩具只有打火机大小，用手一捏，就会发出“卡巴”的响声。盟军规定的识别方法是一声“卡巴”作为询问，两声“卡巴”作为回答。几美分的小玩具解决了大问题。
尽管盟军的技术装备优于德军，但在数百万登陆部队中只有极少数人参加过北非和西西里等地的战斗，绝大多数都没有实战经验，要和久经战阵的德军交手，战前训练就显得特别重要。1943年9月，美军中校保尔·汤普森在英国德文郡北部建立了一个训练基地，选择与美军登陆滩头地形相似的海滩，按照侦察到的德军防御工事设置雷区、反坦克壕、碉堡、铁丝网、障碍物等，再设想出各种战时可能发生的情况，组织部队反复训练。
战后许多美军士兵都高度评价了汤普森的训练，认为正是他所设计的训练，才使他们在复杂的战场上应变自如。同时，英军也在英格兰东部的偏僻海滩对参战部队进行近似实战的训练。如此高强度的实战训练对装备肯定会有损坏，盟军后勤修理人员昼夜抢修，才保障了在登陆前夕美军和英军的登陆艇完好率分别高达97.6%和99.3%。
1944年5月3日至5月8日，盟军组织了最后一次大规模联合演习，由盟军海军司令英国海军上将拉姆齐任总指挥。演习就在美军的训练基地，除了没有进行横渡海峡外，其他环节都与实战相同。演习非常成功，演习结束后军官在严格保密的措施下向士兵介绍作战情况，先说明本单位的任务和登陆位置，再结合登陆滩头的照片及沙盘模型，讲解具体任务，地雷如何清除，德军火力点如何解决，占领哪个地方，一切都一清二楚。通过这样的介绍，士兵们完全明白自己在战斗中的任务，并通过训练掌握应付的方法，使他们对登陆战斗充满信心，既不陌生，也无恐惧。
盟军对空降兵的训练更为重视，因为在西西里登陆时，盟军空降兵的作战遭到很大失利，这使得盟军高层将领对空降作战意见不一，有的主张在敌纵深实施空降牵制德军预备队；有的主张在海滩浅近后方分散降落，实施大范围袭扰；还有的如盟军空军司令马洛里上将认为空降作战将会遭到严重伤亡干脆主张取消空降。
艾森豪威尔认为诺曼底海滩后面是一片沼泽，只有几条通路可供通行，如果不能及时控制这些通路登陆部队将会被困在海滩上，而且德军的装甲部队就部署在浅近纵深，如果不能占领关键要地进行阻击，登陆部队就有被赶下海的危险。这两项至关重要的任务又必须在登陆的同时完成，只有空降兵能做到。所以艾森豪威尔力排众议决定使用盟军在欧洲全部的空降兵力——3个空降师抢占关键地区，以配合海上登陆，即便付出巨大代价也是必须的。
正因为如此，他对这支担负艰巨而又重要任务的空降兵部队临战训练十分关注，采取特殊的训练方法：首先按照计划空降地区的地貌，造出一定比例的立体模型，模拟飞机从上空飞过的实景拍成影片，在训练中给空降兵先看黑白影片，熟悉后再加上蓝色滤光镜，模拟成月光下的情景，让空降兵熟悉了解空降地区，要求每个空降兵利用地图和沙盘模型明确自己的任务，还要了解友邻的使命；其次强化对飞机的识别和夺取敌阵地的针对性训练；最后进行实战演习，检验作战方案，加强与登陆部队的协同演练。为保证空降部队有足够的装备阻止德军的装甲部队，还给空降部队加强了反坦克手雷、地雷和火箭筒的配备。
考虑到第一批登陆部队就达17.6万人，分别从空中和海上投入作战，不仅对部队进行登陆战例行的上船、航渡、换乘、突击上陆等单项训练，还特别加强了海、陆、空三军的协同作战，以避免在西西里登陆时自相残杀的误伤事件重演。
战前侦察，盟军早在1943年6月就开始了。由于法国抵抗组织和盟军特工人员都无法进入登陆海滩，也就得不到相关的情报，所以空中侦察就成为最重要的情报来源。仅从1944年4月1日到6月6日，盟军就出动飞机多达4.5万架次对法国北部进行了广泛的空中照相侦察，获得了比较全面系统的情报。除了飞机外，盟军还动用袖珍潜艇和鱼雷艇于夜间前往登陆地区，全面搜集水文、地质、气象、植被及德军部署等情报。为了迷惑德军，盟军同时也对加莱地区进行了空中侦察和袖珍潜艇海滩侦察，其中1944年5月17日在加莱海滩进行侦察的小组被德军俘虏，更进一步强化了加莱是登陆地区的假象。
尽管盟军通过多种手段的侦察取得了很多情报，但由于种种原因，仍无法获得一些重要情报，给以后的作战带来一定影响。
盟军还进行了大规模的心理战，除了利用BBC的广播，瓦解德军士气，鼓舞被占领土的人民，尤其是从1944年4月25日起定期向德军空投报道最新军事新闻和德国国内新闻的《部队要闻》，进一步动摇德军的军心。
气象是登陆作战能否顺利实施的重要保证之一，为此1944年5月初盟军最高司令部任命英国空军上校气象学教授斯塔格为首席气象顾问，负责领导一个气象组每周两次向最高司令部报告气象情况，5月20日起改为每天两次汇报气象情况。5月29日到6月2日斯塔格都报告在预定登陆日6月5日会有暴风雨，这些报告令最高司令部的所有成员忧心忡忡。6月3日航程最远的U编队按计划开始登船出发，气象预报是6月5日会有强风，艾森豪威尔决定将登陆推迟二十四小时，召回了已出发的U编队。
6月4日，英吉利海峡狂风暴雨，晚上21：30分，气象组的科学家经仔细分析认为在6月5日过后会有一段持续约十二小时的好天气，随后又是狂风暴雨的恶劣天气。这时候身为统帅的艾森豪威尔面临着艰难的抉择：是否在6月6日登陆？如果发起登陆，第一梯队登陆后后续部队可能会因天气恶劣而无法登陆，那么上岸的部队将会陷入孤立无援的境地；如果取消登陆，那么只有等到两星期后的6月18日才有合适的潮汐和月光，这样一来会使士气下降，部队组织混乱，更重要的是秘密将无法保守。那是无法想象的！
艾森豪威尔思考一番后下令航程最远的U编队先出发，最终命令将在6月5日凌晨下达，到时候U编队再根据这一命令返航或继续前进。6月5日凌晨，斯塔格再次肯定6月6日将有短暂的好天气，艾森豪威尔征求司令部其他成员的意见，大家一致认为要在6月6日登陆。艾森豪威尔沉思片刻，有人回忆说是两分钟，也有人回忆说是四分钟，最后他坚定地下令于6月6日发起登陆。——正是准确的气象保障才帮助统帅作出了艰难的抉择。
充足的物资供应，逼真的实战演练，广泛的战前侦察，准确的气象保障，才使得诺曼底的胜利有了切实保证和坚实基础。
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