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Im Januar 1941 wurde Karl Koller unter gleichzeitiger Beförderung zum Oberst zum Chef des Stabes der Luftflotte 3 ernannt, die im Westen operierte. Am 10. April 1942 wurde ihm aufgrund seiner Verdienste beim Unternehmen Cerberus, dem Durchbruch deutscher Schlachtschiffe durch den Ärmelkanal, das Ritterkreuz des Eisernen Kreuzes verliehen. Im März 1943 folgte die Beförderung zum Generalmajor.